Een polychotomie of polytomie is de opdeling in meer dan twee niet-overlappende structuren of begrippen. De term komt naar analogie van de term dichotomie, van het Griekse dichotomia, wat tweedeling betekent.

Een polytomie is in de cladistiek en fylogenetica een vertakking waarbij uit één knoop meer dan twee evolutionaire lijnen voortkomen. In een volledig opgeloste fylogenetische stamboom vertakt iedere knoop zich in twee lijnen, waarbij kan worden vastgesteld welke groepen nauwer aan elkaar verwant zijn. Bij een polytomie kan die onderlinge volgorde niet worden weergegeven.
Meestal ontstaat polytomie doordat er onvoldoende bewijs is om de vertakkingsvolgorde betrouwbaar vast te stellen. Verschillende onderzoeken kunnen bijvoorbeeld verschillende verwantschappen ondersteunen. Zo'n onopgeloste vertakking wordt soft polytomy genoemd. Een hard polytomy betekent daarentegen dat meerdere evolutionaire lijnen mogelijk daadwerkelijk in zeer korte tijd van elkaar zijn afgesplitst.