数学中，三维球面（英文常写作3-sphere）是球面在高维空间中的类比客体。它由四维欧几里得空间中与一固定中心点等距离的所有点所组成。寻常的球面（或者说二维球面）是一个二维表面，而三维球面是一个具有三个维度的几何客体，这样的几何客体都可以归类为三维流形（3-manifold）。
三维球面也称作超球面（hypersphere），虽然这个辞汇可以更广义地代表任何维球面，而 ≥ 3。
以座标表示，三维球面具有中心（0, 1, 2, 3）及半径 乃在R4符合条件
的所有点的集合：（0, 1, 2, 3）。
三维球面球心在原点，而半径是1的称为单位三维球面(unit 3-sphere)，常写作3：
方便性上，常将R4另外以复数C2或四元数(quaternions)H等价表示。单位三维球面则可写为
或
最后一个表示法常是最有用的。其将三维球面描述为所有单位四元数（绝对值为1的四元数）的集合。正如同所有单位复数的集合在复数几何是重要的，所有单位四元数的集合在四元数几何中也是重要的。
