Sao đôi là hệ thống gồm hai ngôi sao quay quanh nhau do lực hấp dẫn. Đây là một dạng rất phổ biến trong vũ trụ, chiếm phần lớn số lượng sao quan sát được. Trong một hệ sao đôi, tâm quay chung thường nằm giữa hai ngôi sao, và chuyển động của chúng tuân theo định luật Kepler.
Có nhiều loại sao đôi, phân loại dựa trên cách quan sát. Sao đôi quang học là hai ngôi sao xuất hiện gần nhau trên bầu trời nhưng không thực sự có liên kết hấp dẫn. Sao đôi hình học là các cặp sao có quỹ đạo quan sát được qua kính thiên văn. Sao đôi che khuất là hệ thống trong đó một ngôi sao định kỳ che khuất ngôi sao kia khi quan sát từ Trái Đất, tạo ra sự thay đổi độ sáng. Một ví dụ nổi tiếng là Algol trong chòm sao Perseus.
Trong một số trường hợp, sao đôi có thể tương tác mạnh với nhau. Nếu một trong hai ngôi sao là sao lùn trắng, sao neutron hoặc hố đen, vật chất từ ngôi sao còn lại có thể bị hút vào, tạo ra đĩa bồi tụ phát ra bức xạ mạnh, như trong các hệ sao đôi tia X. Các sao đôi cũng đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu thiên văn vì giúp các nhà khoa học xác định khối lượng và tính chất vật lý của sao.
