아타카마 사막(스페인어: Desierto de Atacama)은 남아메리카 서부, 주로 칠레 북부에 위치한 건조한 지역으로, 세계에서 가장 건조한 사막 중 하나로 알려져 있다. 태평양 연안에 위치하며 안데스 산맥과 태평양 사이의 협소한 지역에 분포되어 있다. 아타카마 사막은 북쪽으로는 페루 국경 부근에서 시작되어 남쪽으로 약 1,000km 이상에 걸쳐 펼쳐지며, 일부 지역은 수십 년간 강수량이 거의 관측되지 않을 정도로 극심한 건조함을 보인다.
기후학적으로 아타카마 사막은 열대 고기압과 페루 해류(후무볼드 해류)의 냉각 효과로 인해 습기를 가진 공기가 도달하기 어려운 지형적 조건을 가지고 있다. 이러한 요인으로 인해 대부분의 지역에서는 자연적인 식생이 제한되며, 생명체의 존재가 극도로 드물다. 다만, 안데스 산맥에서 유래한 하천이 흐르는 오아시스 지역에서는 농업과 인구 거주가 가능하다.
아타카마 사막은 풍부한 광물 자원, 특히 질산염과 구리 광산으로 유명하며, 19세기 후반부터 20세기 초반까지 칠레, 페루, 볼리비아 간의 영토 분쟁(손상 전쟁)이 발생한 배경이 되기도 했다. 또한 현재는 높은 고도와 맑은 대기 조건 덕분에 천문 관측소의 설치에 이상적인 장소로 평가받으며, 알마 망원경(Atacama Large Millimeter Array) 등 세계적인 천문 시설이 위치해 있다.
생물학적 연구 측면에서 아타카마 사막은 지구 외 생명 탐사에 활용되는 모의 환경 중 하나로 간주되며, 특히 화성과 유사한 조건을 지닌 것으로 평가되어 NASA 등에서 극한 환경 연구에 활용된 바 있다.
문화적으로는 전통적으로 아임라족과 아타카메나스족(라파이타인) 등 원주율 민족이 거주해 왔으며, 현재도 일부 지역에서 전통 농업과 양축 활동이 지속되고 있다.