洛斯阿拉莫斯国家实验室（英语：Los Alamos National Laboratory；前称“Y计划”、洛斯阿拉莫斯实验室、洛斯阿拉莫斯科学实验室），简称LANL，是美国承担核子武器设计工作的两个国家实验室之一，另一个是劳伦斯利弗莫尔国家实验室（始于1952年）。洛斯阿拉莫斯国家实验室建立于1943年曼哈顿计划期间，最初负责原子弹的制造、由伯克利加州大学负责管理，首任主任是“原子弹之父”罗伯特·奥本海默。
该国家实验室位于新墨西哥州洛斯阿拉莫斯，隶属美国能源部，目前的管理和运行则归由加州大学等机构组成的国家安全公司（Triad National Security, LLC）负责。洛斯阿拉莫斯国家实验室是世界上最大的科学和技术研究机构之一，它在国家安全、太空探索、 可再生能源、医药、纳米技术和超级计算机等多个学科领域开展研究。
洛斯阿拉莫斯国家实验室是新墨西哥州北部最大的研究机构和最大的雇主，拥有大约9,000名的直接雇员和774人左右的合同雇员。此外还有大约120名的美国能源部员工驻扎在实验室，负责监督那里的工作和运行情况。实验室约三分之一的技术人员是物理学家，四分之一是工程师，六分之一为化学家和材料科学家，其余的则在数学和计算科学、生物学、地球科学等其他学科的工作。外部的科学家和学生也会访问洛斯阿拉莫斯国家实验室参与科研项目。实验室联合大学和业界进行能源方面的基础和应用研究。洛斯阿拉莫斯国家实验室2016年的预算约为22亿美元。
洛斯阿拉莫斯国家实验室成立于第二次世界大战期间，用作为集中协调“曼哈顿计划”科学研究的秘密设施。曼哈顿计划是盟军开发首个核武器的项目。1942年9月，分散于全国各地的大学在核子武器初步研究中遭遇困难，这就意味着需要一间专门的实验室。
莱斯利·理查德·格罗夫斯将军希望有一个地处单独分开安全位置的中央实验室，并能让科学家远离民众。它到边境线和密西西比都应至少200英里。约翰·达德利少校建议使用犹他州的橡树城或者新墨西哥州的赫梅斯泉，但皆被拒绝。曼哈顿计划的科学主管尤里乌斯·罗伯特·奥本海默青年时候在新墨西哥地区度过了许多时光，他建议选址洛斯阿拉莫斯牧场学校，那里山顶平缓。达德利以学校不符合格罗夫斯的标准而拒绝该提议。然而，当格罗夫斯见到那里时，他说就是这。奥本海默成为实验室的第一任主管。
曼哈顿计划中，洛斯阿拉莫斯国家实验室容纳有数千名员工，包括许多荣获诺贝尔奖的科学家。实验室的位置则完全是个秘密，其仅有的邮件地址只是一个地处新墨西哥州圣塔菲编号为1663的邮箱。最终，实验室还启用了另外两个邮箱，编号分别是180和1539，它们也都在圣达菲。虽然洛斯阿拉莫斯国家实验室与加州大学的合约最初是暂时性的，但战后他们依然保持长期关系。加州大学主席罗伯特·斯普劳尔在原子弹轰炸日本的广岛和长崎之前都未知晓实验室的目的，他认为实验室可能是产生“死光”的。加州大学管理委员会中唯一知道实验室真正目的和确切物理位置的人是财长秘书长罗伯特·昂德希尔。昂德希尔负责的战时合同和负债。
洛斯阿拉莫斯国家实验室最终研制出数个原子装置。其中之一就被用于1945年7月16日在新墨西哥州阿拉莫戈多附近进行、代号为“三位一体”（Trinity）的首次核子试验。另两件核子武器“小男孩”和“胖子”则分别轰炸了广岛和长崎。由于卓越的生产，该实验室在1945年10月16日荣获陆海军“E”奖。
第二次世界大战结束后，奥本海默卸任实验室主管，由诺里斯·布拉德伯里接替。诺里斯最初的任务是制造先前手工组装的核子炸弹，以便它们能在没有训练有素科学家的协助下大规模生产。许多洛斯阿拉莫斯国家实验室原先的“名人”选择离开，有的甚至成为公开反对进一步发展核子武器的人。
1940年代以来的数年间，洛斯阿拉莫斯国家实验室负责了氢弹及许多其他核子武器变种的发展。在此该阶段，几位女科学家也为实验室的工作作出了贡献。1952年，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室作为洛斯阿拉莫斯国家实验室的“竞争者”而宣告成立，它承托了激励两家核子武器设计实验室创新的希望。洛斯阿拉莫斯和劳伦斯·利弗莫尔曾是美国国家实验室系统中最为秘密的两家，它们设计了美国的所有核武库。两个国家实验室的其他工作包括基础科学研究、粒子加速器发展、保健物理和聚变发电研究。许多核子试验在马绍尔群岛和内华达试验场进行。1950年代后期，包括约翰·罗伯特·贝叶斯特博士在内的一些科学家离开洛斯阿拉莫斯而前往地处圣地亚哥的通用原子公司（General Atomics）任职。
洛斯阿拉莫斯国家实验室发生过三起主要核事故。两起临界事故分别发生于1945年8月和1946年5月，第三次事故则发生在1958年12月。
1965年，洛斯阿拉莫斯国家实验室入选国家历史地标。
冷战结束之时，劳伦斯利佛摩国家实验室与洛斯阿拉莫斯国家实验室都对自己的研究方向进行了大幅度的扩展，以适应冷战结束后对核武器研究降低的需求。两个实验室都开始进行许多“非战争应对”的科学技术研究项目。洛斯阿拉莫斯实验室的核科研主要与计算机模拟和核武库维护相关，双轴射线成像流体动力学实验装置的部署可以使无核爆核试验成为可能。
克劳斯·富赫斯参加曼哈顿计划时，在此工作。他是苏联的一名间谍，将多项机密资料交给苏联，协助苏联在第二次世界大战后发展出原子弹与氢弹。
不过，该实验室近年出现多宗争议事件，包括遗失机密数据、起诉一名华人科学家李文和充当间谍，2004年实验室需要大规模重组，2006年6月，多年来一直营运实验室的加州大学交出管理权，实验室交由新成立的“洛斯阿拉莫斯国家安全委员会”全面接手，成员包括加州大学及多间军火营办商，新委员会的目标将要令实验室盈利。
在日本轻小说《绯弹的亚莉亚》（緋弾のアリア）之中，该实验室注意到美国国防部回避敌对人物名单上的远山金叉（金次和金一的父亲，1989年亚洲S.D.A排行中综合评价第8位，同时登上了上述人物名单）以后，展开了对金叉冠以黄金交叉的秘密计划，并在成功得到了他的身体组织后以其DNA利用科学手段制造出人工生命“人工天才”（人型兵器）：GⅢ和GⅣ。然而GⅢ后来从这里逃出，而GⅣ亦在GⅢ逃离时随他逃出。
