De penrose-driehoek is een onmogelijke figuur, genoemd naar de Britse wiskundige Roger Penrose. Hij bedacht en publiceerde deze driehoek in 1958. De Zweedse kunstenaar Oscar Reutersvärd had dezelfde driehoek in 1934 al getekend.
De driehoek bestaat uit drie balken die alle drie loodrecht op de andere twee lijken te staan, maar tezamen toch een driehoek vormen.
Het is een optische illusie en een onmogelijke figuur, ofwel door middel van bedrieglijke schaduw- en perspectiefwerking wordt een ruimtelijke figuur gesuggereerd die in werkelijkheid niet te maken is.
De Nederlandse graficus Maurits Escher heeft de penrose-driehoek vaak toegepast in zijn werk.