Fengselsstraff er en type straff som innebærer frihetsberøvelse i et fengsel. Fengselsstraff har historisk vært knyttet til blant annet religiøs moral, samfunnets behov for beskyttelse fra lovbrytere og voldsutøvere, og forsøk på å hindre lovbrudd gjennom avskrekking.
Ved betinget fengselsstraff blir fullbyrdelsen av fengselsstraffen helt eller delvis utsatt med en prøvetid, mens ubetinget fengselsstraff innebærer at straffen skal sones. Elektronisk fotlenke kan i enkelte land være et alternativ til ubetinget fengsel.
Historisk innebar livsvarig fengselsstraff at en ble fengslet på livstid, selv om det var mulig å benådes. I moderne tid har mange land innført begrensninger på hvor lenge en kan sone, eller løslater fanger etter utløpet av en minstetid.