En penrosetrapp er en optisk illusjon, navnsatt etter Lionel Penrose og sønnen Roger Penrose. Det er en todimensjonal framstilling av en trapp med fire 90-graders vinkler, der tappetrinnene tilsynelatende stiger og stiger i en sluttet sirkel. Det vil være umulig å lage en Penrosetrapp i tre dimensjoner.
Penrosetrappen kan sees som en variant av penrosetriangelet.
Kunstneren M. C. Escher baserte sin kjente litografi Ascending and Descending på en penrosetrapp.