Intheoretische natuurkunde is eenPenrose-diagram, genoemd naar de Britse wis- en natuurkundigeRoger Penrose, een tweedimensionaaldiagram dat decausale relaties legt tussen verschillendepunten in deruimtetijd. Het is een uitbreiding van eenruimtetijddiagram, waar detijd op de-as en deruimte op de-as is uitgezet. Schuine lijnen met eenhoek van45° komen metlichtstralen overeen.
Het grootste verschil is dat demetriek van een Penrose-diagram lokaalhoekgetrouw equivalent is aan de werkelijke metriek in de ruimtetijd. De hoekgetrouwe factor wordt zodanig gekozen dat de gehele oneindige ruimtetijd wordt getransformeerd in en op een Penrose diagram van eindige grootte. Voor bolsymmetrische ruimtetijd correspondeert ieder punt in het diagram met eenboloppervlak.