袋狮科（学名：Thylacoleonidae）为澳洲已灭绝的肉食性有袋类演化支，最著名的物种为刽子手袋狮（），生存于渐新世晚期至更新世，体型较小的物种约与负鼠相当，体型较大的物种则可比拟豹或猎豹。袋狮科多为大型的树栖性物种，相较之下，澳洲大多数的掠食者多为陆栖性，包括袋鼬目（仅有袋鼬属演化成树栖性物种，填补了由小型袋狮科物种灭绝后所空出的生态位）、巨蜥与马氏鳄。
除了袋狮科外，有另一个有袋类演化支也是超级食肉动物－袋鼬目袋狼科，代表性的物种为于20世纪灭绝的袋狼。
袋熊亚目双门齿目于渐新世至中新世时具有多样的辐射演化，属于其中一个演化支的袋狮科演化成肉食动物，具有独特的齿式用于杀死体型比它们大的猎物。它们的第三前臼齿具有像是园艺剪的切割面，在袋狮上尤其明显，被欧文形容“是最残暴与最具破坏性的掠食者野兽之一...”。袋狮科物种被认为是当地生态系最高营养级的顶级掠食者，较小型的物种主要栖息于树上，较大型的物种则多于地面生活，体型约于犬或大猫相当。
于渐新世晚期至中新世时期，袋狮科的微袋狮属与小袋狮属发现于中澳大利亚Pitikanta湖化石组至卡奔塔利亚湾南边里弗斯利的北海岸，这里以出土丰富的化石闻名。袋狮科最后的成员－生存至更新世的袋狮，也是本科最早被发现的物种，最早则出现于2,500万年前。
袋狮科最早发表自西奥多·吉尔对于哺乳动物分类所做的著作，由史密森尼学会于1872年所出版。命名缘由来自该演化支下的由理察·欧文所命名的袋狮。
袋狮科现在被分类于袋熊亚目下，亲缘关系最近的现存物种为无尾熊与袋熊。它们于渐新世早期时发展出肉食性，并于中新世时随着猎物增大体型。
2017年，在一个较早期袋狮科物种的颅骨化石发现并与其他袋狮科的完整样本做比较后，针对各属之间的关系做了些许修订。该研究与修订是由安娜·格里斯佩（英语：Anna Gillespie）、麦克·阿奇尔（英语：Mike Archer (paleontologist)）与苏珊·汉德（英语：Suzanne Hand）完成，并包括了将一个新种及原先分类至属的物种重新分类至小袋狮属。
本科目前包含4属：
