Oś obrotu – prosta w przestrzeni określająca kierunek obrotu danego ciała. Wyznacza ona układ odniesienia, względem którego wyznacza się moment bezwładności ciała. Prędkość kątowa jest zawsze równoległa do osi obrotu.
Oś obrotu jest stała, gdy ciało obraca się stabilnie, co fizycznie wyraża się przez równoległość wektorów prędkości kątowej i momentu pędu. Oś obrotu jest stabilna tylko wtedy, gdy jest ona osią symetrii ciała, lub jest to ciało płaskie, a oś przechodzi pod kątem prostym przez środek symetrii.
Chwilowa oś obrotu występuje, gdy wektor prędkości kątowej nie jest równoległy do wektora momentu pędu ciała. Efekt taki można zaobserwować np. w zjawisku nutacji.
