在数学和数学物理中，泡利矩阵是一组三个2×2的幺正厄米复矩阵，一般都以希腊字母σ来表示，但有时当他们在和同位旋的对称性做连结时，会被写成τ。他们在泡利表像（σz表像）可以写成：
这些矩阵是以物理学家沃尔夫冈·泡利命名的。在量子力学中，它们出现在泡利方程中描述磁场和自旋之间相互作用的一项。所有的泡利矩阵都是厄米矩阵，它们和单位矩阵I（有时候又被称为为第零号泡利矩阵σ0），的线性张成为2×2厄米矩阵的向量空间。
从量子力学的角度来看，哈密顿矩阵（算符）代表可观测的物理量，因此，σk,k= 0,1,2,3的线性张成代表所有作用在二维希尔伯特空间的物理量所形成的空间。从泡利本人的的研究来看，σk,k=1,2,3所代表的物理量是自旋在三维欧几里得空间ℝ中第k个坐标轴的投影分量。
