Двойны́е звезды — две звезды, близкие друг другу в пространстве и составляющие физическую систему, связанную силами взаимного тяготения. Двойные звезды обращаются по эллиптическим орбитам вокруг общего центра масс и вместе движутся в Галактике. Они являются частным случаем кратных звезд, состоящих иногда из нескольких небесных тел (до 8).
По методике обнаружения различают: визуально-двойные звезды (их можно увидеть при помощи телескопа визуально или сфотографировать); спектрально-двойные звезды (двойственность проявляется в периодических смещениях или раздвоениях линий их спектров); затменно-двойные звезды (периодически загораживают друг друга от наблюдателя); астрометрические двойные звезды, или темные спутники (точные измерения положений позволяют обнаружить периодические смещения звезды под влиянием обращающегося вокруг нее темного спутника); фотометрические двойные звезды (при различии в температуре поверхностей звезд точная многоцветная электрофотометрия показывает отличие от одиночных звезд). Иногда о двойственности звезды можно судить по сложному (комбинированному) спектру или по одинаковому заметному собственному движению двух не слишком близко расположенных звёзд (широкие пары). Кратные системы могут состоять из звезд разного вида. Описанные типы двойных звезд, представляющих собой физические системы, называются физическими двойными звездами.
Вид двойных звезд имеют также пары звезд, компоненты которых разделены огромными расстояниями по лучу зрения и лишь случайно и временно располагаются в видимой близости друг к другу на небесной сфере. С течением времени они разойдутся и перестанут считаться двойными звездами. Такие системы называются оптическими двойными звездами. При составлении каталогов к числу двойных звезд относят лишь те объекты, у которых расстояния между компонентами не превышают некоторого предела, зависящего от блеска (видимой звездной величины) главной звезды и ее спутника. Так, две звезды второй звездной величины могут считаться двойными звездами, если расстояние между ними меньше 40 секунд, две звезды девятой звездной величины — не более 3 секунд. Изучение двойных звезд дает способ определения масс звезд, а в ряде случаев — определения размеров и формы звезд, плотности и закона ее изменения с расстоянием от центра звезды, а также строения звездных атмосфер. Все способы определения масс звезд опираются на определения масс двойных звезд.
Изучение двойных звезд началось в середине 17 века, когда Г. Галилей открыл несколько двойных звезд и предложил метод определения относительного параллакса яркой главной звезды оптической двойной звезды по отношению к более слабой и поэтому, вероятно, более далекой. К середине 18 века было обнаружено всего около двадцати двойных звезд; тогда же начались первые измерения позиционного угла спутника и расстояния между компонентами двойных звезд. После 25 лет наблюдений британский астроном У. Гершель в 1780-х годах обнаружил у двойных звезд явное орбитальное движение спутника (так как оно было криволинейным) относительно главной звезды и оценил периоды обращения нескольких из них. Так были открыты физические двойные звезды.
Российский астроном В.Я. Струве заложил фундамент учения о двойных звездах. Он открыл много новых двойных звезд, в 1837 году опубликовал каталог, включивший 3110 двойных звезд, измерил положение спутников у 2640 двойных звезд (опубликовано в 1837), на меридианном круге определял точные положения двойных звезд в течение 20 лет (опубликовано в 1852). Брианский астроном Дж. Гершель распространил исследования двойных звезд на Южное полушарие неба. Российский астроном О.В. Струве исследовал проблему систематических ошибок при измерении двойных звезд. К середине 20 века было обнаружено около 60 тысяч визуально-двойных звезд. Около половины звезд нашей Галактики являются двойными. Для измерения визуально-двойных звезд со времен У. Гершеля применяли позиционные микрометры, а для самых малых угловых расстояний — звездные интерферометры.