Penrose merdiveni veya imkânsız merdiven, Lionel Penrose ve oğlu Roger Penrose tarafından oluşturulan imkânsız bir nesnedir. Yanılsamada 90 derecelik dönüşlerle yükselen (veya alçalan) bir merdiven 2 boyutlu olarak tasvir edilmiştir. Bir kişinin bu merdivenleri çıktığı hayal edildiğinde sonuçta herhangi bir yükselme ya da alçalma olmadığı hep başladığı yere döndüğü sonsuza kadar devam eden bir döngü ortaya çıkmaktadır. Üç boyutlu uzayda açıkça imkânsız olan bu merdivene Penrose merdiveni denir.