Dobbeltbrytning er oppspalting av en lysstråle i to stråler når den treffer et dobbeltbrytende (optisk anisotropt) stoff.

Fenomenet ble oppdaget i 1669 av dansken Rasmus Bartholin, som undersøkte islandskkalsitt, såkalt dobbeltspat. Skrift som sees gjennom et slikt gjennomsiktig kalsittstykke, vil fremtre dobbelt. Når lyset treffer overflaten til kalsitten splittes strålene i to. De to har ulik hastighet og er polarisert vinkelrett på hverandre (sepolarisert lys). Dette kan utnyttes i polarisasjonsfiltre (senicolprisme). Den ene lysstrålen kalles den ordinære, denne følger brytningslovene. Den andre strålen er den ekstraordinære, og denne følger ikke brytningslovene, det gjør derimot bølgenormalen, som i dette tilfelle ikke faller sammen med lysstrålen.

Dobbeltbrytning opptrer hos alle krystallinske stoffer unntatt de kubiske (regulære), som er optisk isotrope, dvs. har samme optiske egenskaper i alle retninger. Amorfe stoffer som f.eks. glass, viser i alminnelighet heller ikke dobbeltbrytning, men kan gjøre det hvis de utsettes for trykk eller har indre spenninger på grunn av rask avkjøling. Et elektrisk felt kan også frembringe dobbeltbrytning i et stoff (sekerreffekt).