Polysemia (kreik.πολυ-, poly- ’monta’ ja σῆμα, sêma ’merkki’) tarkoittaa merkin (esimerkiksi sanan) monimerkityksellisyyttä. Se erotetaan yleensä homonymiasta, jossa sanan eri merkitykset ovat toisistaan selvästi erillisiä.
Esimerkiksi lauseissa ”Pidän sinusta”, ”Pidän kauppaa vielä hetken auki”, ”Minun pitää ehtiä ajoissa” ja ”Pidä tytölle ovea auki” näyttäytyy kaikissa pitää-verbi, mutta sen merkitys ja tehtävä vaihtelee erittäin paljon asiayhteydestä riippuen. Tällöin joudutaan pohtimaan, tuleeko tulkita kaikkien merkityserojen johtuvan polysemiasta vai nähdäänkö merkitysero niin suurena, että olisi syytä erottaa kaikissa pitää-verbi omaksi sanakseen, jolloin kyseessä olisi homonymia.
Ero polysemian ja homonymian välillä on sumea, sillä homonyymiset merkitykset voivat erkaantua sanan semanttisesta kentästä semanttisen siirtymän kautta.