Фа́зовое простра́нство в теории динамических систем, абстрактное пространство, каждая точка которого соответствует состоянию динамической системы, включая начальные состояния. Координатами в фазовом пространстве также служат величины, описывающие состояние системы. Фазовое пространство динамических систем классической механики, характеризующее, например, процесс движения $N$ материальных точек, есть множество, элементом которого является набор координат и скоростей всех точек данной системы. Для экологической модели в качестве координат выбирают, например, численности популяций различных биологических видов. Движение точки по какой-либо кривой в фазовом пространстве (по траектории фазовой точки) описывает движение всей системы. Скорость движения по этой траектории в каждой точке определяется вектором скорости фазовой точки. Все векторы скорости образуют векторное поле скоростей фазовых точек, которое определяет зависимость движения фазовой точки от её положения, т. е. описывается уравнением, допускающим существование (на конечном или бесконечном интервале) единственного решения при любых начальных условиях. Эти уравнения редко решаются аналитически в явном виде. Обычно с помощью ЭВМ получают приближённое решение на конечном временнóм отрезке, однако это не позволяет понять поведение фазовых траекторий в целом. Понятие фазового пространства – основа методов качественного исследования уравнений эволюции системы.

В качестве примера можно рассмотреть представление совокупности движений гармонического осциллятора в фазовом пространстве (в данном случае – на фазовой плоскости). Независимо от физической природы и конкретного устройства гармонический осциллятор описывается уравнением $\ddot q+ω_0^2q=0,$ где $q$ – величина, характеризующая отклонение от положения равновесия, $\dot q$ – скорость изменения $q$ во времени, $\ddot q$ – скорость изменения во времени (например, $q = x$ – отклонение маятника от положения равновесия, $\dot q$ – его скорость, $\ddot q$ – ускорение), $ω_0$ – собственная частота колебаний осциллятора. Вся фазовая плоскость ($\dot q,q$) для гармонического осциллятора представляет собой вложенные друг в друга эллипсы (за исключением $\dot q=\ddot q=q=0$). Каждый эллипс при заданных начальных условиях один и только один. Т. к. эллипсы – замкнутые кривые, что соответствует периодическим движениям, фазовая точка, выйдя из какой-либо точки фазовой плоскости, через некоторое время возвращается в неё. Таким образом, не зная возможных движений с количественной стороны, можно судить о качественной характеристике возможных движений. Результаты качественного исследования движения линейной системы без трения (гармонического осциллятора) можно сформулировать так: система при любых начальных условиях совершает периодические движения вокруг состояния равновесия $(x=0, y=0)$ – за исключением единственного случая, когда начальные условия соответствуют этому состоянию.

Понятие фазового пространства широко используется в современной теории колебаний и волн, включая теорию динамического хаоса и образования структур.

В статистической физике фазовое пространство – многомерное пространство, осями которого служат обобщённые координаты и импульсы системы с $N$ степенями свободы; оно имеет размерность $2N$. Состояние системы изображается в фазовом пространстве точкой, а изменение состояния системы во времени – движением точки вдоль линии, называемой фазовой траекторией. В статистической физике число $N$ очень велико (как правило, порядка числа Авогадро), поэтому для описания состояния системы вводятся статистические функции распределения, характеризующие вероятность нахождения точки, изображающей состояние системы, в сколь угодно малом элементе объёма. Понятие фазового пространства является основным для классической статистической физики.