De penrose-driehoek is een onmogelijke figuur, genoemd naar de Britse wis- en natuurkundige Roger Penrose, die dit figuur samen met zijn vader Lionel Penrose bedacht en in 1958 publiceerde. De Zweedse kunstenaar Oscar Reutersvärd had dezelfde driehoek reeds in 1934 getekend. De driehoek is een isometrische projectie van drie balken die alle drie loodrecht op de andere twee lijken te staan, maar tezamen toch een driehoek vormen (zie de afbeelding).

Het is een optische illusie en een onmogelijke figuur, wat wil zeggen dat door middel van bedrieglijke schaduw- en perspectiefwerking een ruimtelijke figuur wordt gesuggereerd die niet realiseerbaar is. Weliswaar is er een ruimtelijk bouwsel mogelijk dat dezelfde figuur suggereert, maar dat is niet de constructie die men "ziet".

De Nederlandse graficus M.C. Escher heeft de penrose-driehoek vaak toegepast in zijn werk.