กะโหลกศีรษะ (อังกฤษ: Skull) เป็นโครงสร้างของกระดูกที่ประกอบขึ้นเป็นโครงร่างที่สำคัญของส่วนศีรษะในสัตว์ในกลุ่มเครนิเอต (Craniate) หรือสัตว์ที่มีกะโหลกศีรษะ ซึ่งรวมทั้งสัตว์มีกระดูกสันหลังทุกชนิด กะโหลกศีรษะทำหน้าที่ปกป้องสมองซึ่งเป็นศูนย์กลางของระบบประสาท รวมทั้งเป็นโครงร่างที่ค้ำจุนอวัยวะรับสัมผัสต่างๆ ทั้งตา หู จมูก และลิ้น และยังทำหน้าที่เป็นทางเข้าของทางเดินอาหารและทางเดินหายใจ
การศึกษาเกี่ยวกับกะโหลกศีรษะมีประโยชน์อย่างมากหลายประการ โดยเฉพาะการศึกษาในเชิงกายวิภาคศาสตร์เปรียบเทียบระหว่างสัตว์ชนิดต่างๆ ซึ่งเป็นประโยชน์ด้านบรรพชีวินวิทยาและความเข้าใจถึงลำดับทางวิวัฒนาการ นอกจากนี้การศึกษาลงไปเฉพาะกะโหลกศีรษะมนุษย์ก็มีประโยชน์อย่างมากในการศึกษาด้านนิติเวชศาสตร์ ทันตแพทยศาสตร์ รวมทั้งมานุษยวิทยาและโบราณคดี
กะโหลกศีรษะของมนุษย์ประกอบด้วยกระดูกทั้งหมด 22 ชิ้น ทั้งนี้ไม่นับรวมกระดูกหู (ear ossicles) กระดูกแต่ละชิ้นของกะโหลกศีรษะส่วนใหญ่เชื่อมต่อเข้าด้วยกันโดยข้อต่อแบบซูเจอร์ (Suture) ที่เคลื่อนไหวไม่ได้ แต่มีความแข็งแรงสูง
กระดูกของกะโหลกศีรษะสามารถแบ่งออกได้เป็นสองกลุ่มใหญ่ๆ ได้แก่ กระดูกหุ้มสมอง (Neurocranium) ทำหน้าที่ป้องกันสมองที่อยู่ภายในโพรงกะโหลก (cranial cavity) ซึ่งมีด้วยกัน 8 ชิ้น และสแปลงคโนเครเนียม (Splanchnocranium) ทำหน้าที่ค้ำจุนบริเวณใบหน้า รวมแล้วมีจำนวน 14 ชิ้น นอกจากนี้ ภายในกระดูกขมับ (temporal bone) ยังมีกระดูกหูอีก 6 ชิ้น ซึ่งหน้าที่เกี่ยวกับการขยายความสั่นสะเทือนของเสียงจากเยื่อแก้วหูไปยังท่อรูปก้นหอย (cochlear) และกระดูกไฮออยด์ (hyoid bone) ทำหน้าที่ค้ำจุนลิ้นและกล่องเสียงซึ่งปกติแล้วไม่นับเป็นส่วนหนึ่งของกะโหลกศีรษะ
ภายในกะโหลกศีรษะยังมีโพรงไซนัส (sinus cavities) 4 คู่ หน้าที่ของโพรงไซนัสยังเป็นที่ถกเถียงอยู่ในปัจจุบัน แต่เชื่อว่าช่วยทำให้กะโหลกศีรษะมีน้ำหนักเบาขึ้น ทำให้ศีรษะไม่เอนมาทางด้านหน้าและทำให้ศีรษะตั้งตรงได้ ช่วยให้เสียงก้องกังวาน และช่วยให้อากาศที่ผ่านโพรงจมูกเข้าไปในทางเดินหายใจอุ่นและชื้นมากขึ้น
ด้านในของกะโหลกศีรษะส่วนที่หุ้มสมองยังมีเนื้อเยื่อเกี่ยวพันที่หุ้มรอบโครงสร้างของระบบประสาทกลาง เรียกว่า เยื่อหุ้มสมอง (meninges) ซึ่งมีอยู่ 3 ชั้นเรียงจากชั้นนอกสุดเข้าไปยังชั้นในสุดได้แก่ เยื่อดูรา (dura mater), เยื่ออะแร็กนอยด์ (arachnoid mater), และเยื่อเพีย (pia mater) เยื่อหุ้มสมองมีหน้าที่สำคัญในการปกป้องและหน้าที่ทางสรีรวิทยาอื่นๆ อีกมากมาย
การบาดเจ็บหรือบวมของเนื้อสมองเป็นสาเหตุหลักของการเสียชีวิตและความพิการ การบาดเจ็บที่กะโหลกศีรษะในส่วนที่ปกป้องสมอง อาจทำให้เกิดการแตกของหลอดเลือดสมองได้ ในภาวะที่มีเลือดออกในสมอง หรือมีความดันในกะโหลก (intracranial pressure) เพิ่มมากขึ้น อาจมีผลต่อก้านสมอง (brain stem) ทำให้ถึงแก่ชีวิตได้
กะโหลกศีรษะเป็นโครงสร้างที่พบได้ในสัตว์มีแกนสันหลังกลุ่มที่เรียกว่า เครนิเอต (Craniata) ซึ่งเริ่มพบในลำดับวิวัฒนาการตั้งแต่อันดับแฮกฟิช (Hagfish; Class Myxini) เป็นต้นไป และรวมถึงสัตว์มีกระดูกสันหลังได้แก่ ปลากระดูกอ่อน, ปลากระดูกแข็ง, สัตว์ครึ่งบกครึ่งน้ำ, สัตว์เลื้อยคลาน, สัตว์ปีก และสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนม ศีรษะของสัตว์กลุ่มเครนิเอตจะประกอบด้วยสมอง อวัยวะรับสัมผัสเช่นตา และกะโหลกศีรษะ สัตว์ในกลุ่มนี้จะมีการใช้พลังงานมากกว่าสัตว์ในลำดับวิวัฒนาการต่ำกว่า และมีการปรับตัวทางรูปร่างและกายวิภาคศาสตร์อย่างมากเพื่อช่วยในการเพิ่มประสิทธิภาพในการใช้พลังงานให้มากขึ้น กะโหลกศีรษะในสัตว์จำพวกแฮกฟิชและปลากระดูกอ่อนจะเป็นกระดูกอ่อน ส่วนของเครนิเอตชนิดอื่นๆ จะมีกะโหลกศีรษะเป็นกระดูกแข็ง
กะโหลกศีรษะของปลามีปุ่มกระดูกท้ายทอย (occipital condyles) 1 อัน และมีลักษณะเด่นคือมีแผ่นปิดเหงือก กะโหลกศีรษะของปลาประกอบด้วย 2 ส่วน ซึ่งมีทั้งส่วนที่เป็นกระดูกและกระดูกอ่อน ได้แก่
วิวัฒนาการของกะโหลกศีรษะของสัตว์ครึ่งบกครึ่งน้ำพบครั้งแรกจากซากฟอสซิลของ Ichthyostega อายุประมาณ 350 ล้านปี ซึ่งแสดงถึงการปรับตัวให้เหมาะกับการดำรงชีวิตอยู่บนบก โดยมีการพัฒนากระดูกแข็ง เพื่อหนีการล่าของปลาและเพื่อขึ้นมาหาอาหารบนบก ฟอสซิลสัตว์ชนิดนี้มีหู กะโหลกศีรษะด้านหน้าสั้น พัฒนาปลายจมูกยาวขึ้นเพื่อสูดอากาศที่มีความเจือจางกว่าในน้ำ แต่ก็ยังมีลักษณะอื่นๆ ที่เหมือนปลา เช่น ยังคงมีหาง มีครีบ แผ่นปิดเหงือก เป็นต้น
กะโหลกศีรษะของสัตว์ครึ่งบกครึ่งน้ำมีปุ่มกระดูกท้ายทอย 2 อัน ไม่มีกระดูกส่วนฐานและส่วนเหนือกระดูกท้ายทอย (supra- or basioccipitals) กระดูกหุ้มสมองส่วนใหญ่ยังคงเป็นกระดูกอ่อน มีส่วนที่เป็นกระดูกปฐมภูมิอยู่น้อย
การวิเคราะห์รูปร่างของกะโหลกศีรษะมีประโยชน์มากในการจัดจำแนกสัตว์ในกลุ่มสัตว์มีกระดูกสันหลังที่มีถุงน้ำคร่ำ (Amniotes) ซึ่งได้แก่กลุ่มของสัตว์เลื้อยคลาน สัตว์ปีก และสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนม รวมทั้งกลุ่มของไดโนเสาร์ที่สูญพันธุ์ไปแล้ว โครงสร้างของกะโหลกศีรษะที่ใช้ในการจำแนกคือ ช่องเปิดของกระดูกขมับ (temporal fenestrae) ซึ่งคาดว่าจะเป็นจุดเกาะของกล้ามเนื้อที่ใช้ในการเคลื่อนไหวของขากรรไกร ทำให้สัตว์ที่มีวิวัฒนาการของช่องเปิดดังกล่าวมีความสามารถในการหาอาหารได้ดีขึ้น อย่างไรก็ตาม ในสัตว์ปีกและสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมซึ่งโครงสร้างของกะโหลกศีรษะมีการเปลี่ยนรูปไปมาก ช่องเปิดของกระดูกขมับนี้จึงมีการเปลี่ยนแปลงตามไปด้วยและอาจเห็นไม่ชัดเจนนัก
โดยอาศัยโครงสร้างของกะโหลกศีรษะ สามารถจำแนกสัตว์มีกระดูกสันหลังที่มีถุงน้ำคร่ำออกได้เป็นสี่กลุ่ม ได้แก่
กะโหลกศีรษะของสัตว์เลื้อยคลานจะมีปุ่มกระดูกท้ายทอย 1 อัน โค้งกระดูกโหนกแก้ม (zygomatic arch) เกิดจากกระดูกแก้ม (jugal) และกระดูกควอดราโตจูกัล (Quadratojugal bone) ซึ่งอยู่ที่ฐานของขากรรไกรล่าง มีช่องเปิดรูจมูก 2 ช่อง ขากรรไกรล่างเกิดจากกระดูกหลายชิ้น และมีกระดูกหู 1 ชิ้น
รอยต่อของวิวัฒนาการของกะโหลกศีรษะจากสัตว์เลื้อยคลานไปเป็นสัตว์ปีกพบในซากฟอสซิลของบรรพบุรุษของนกที่เรียกว่า Archaeopteryx ซึ่งค้นพบที่บาวาเรีย ประเทศเยอรมนี ซึ่งมีอายุประมาณ 150 ล้านปี ซึ่งพบว่ากะโหลกของสิ่งมีชีวิตดังกล่าวมีลักษณะต่างจากนกชนิดอื่นๆ คือมีฟันที่ขากรรไกร เหมือนสัตว์เลื้อยคลาน แต่มีจะงอยปากเหมือนนก แสดงหลักฐานวิวัฒนาการของสัตว์ปีกที่ต่อเนื่องมาจากสัตว์เลื้อยคลานจำพวกไดแอปซิด
กะโหลกศีรษะของนกจะมีลักษณะเบาเมื่อเทียบกับน้ำหนักตัว คือประมาณ 0.21% ของน้ำหนักตัวในขณะที่ในกะโหลกศีรษะของหนูหนักเป็น 1.25% ของน้ำหนักตัว กะโหลกศีรษะของนกจะไม่มีฟันหรือกรามที่หนักเพื่อช่วยในการบินกระดูกหุ้มสมองมีขนาดใหญ่ มีเบ้าตาขนาดใหญ่เพราะมีดวงตาขนาดใหญ่เพื่อใช้ในการมองเห็นอย่างรวดเร็ว ปุ่มกระดูกท้ายทอยมี 1 อัน กระดูกแต่ละชิ้นของกะโหลกศีรษะนกจะรวมกันเป็นชิ้นเดียวอย่างรวดเร็วทำให้เห็นซูเจอร์หรือรอยประสานระหว่างกระดูกได้ไม่ชัดเจน ด้านหน้าของกะโหลกศีรษะยืดยาวออกเป็นจะงอยปาก ขากรรไกรล่างเกิดจากกระดูกหลายชิ้น ซึ่งจะงอยปากของนกนั้นจะมีวิวัฒนาการแตกต่างกันออกไปเพื่อให้เหมาะกับการดำรงชีวิตของนก เช่น จะงอยปากของกาจะมีลักษณะแหลม และแข็งแรง จะงอยปากของนกฟลามิงโกจะมีลักษณะงุ้ม และจะงอยปากของนกหัวขวานจะยาวตรงและแข็งแรง เพื่อใช้ในการเจาะไม้ และมีกะโหลกศีรษะที่หนาเพื่อรองรับแรงกระแทกและความสั่นสะเทือนได้ดี
เนื่องจากสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมวิวัฒนาการมาจากสัตว์เลื้อยคลานกลุ่มซินแนปซิด กะโหลกศีรษะของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมจึงมีช่องเปิดหนึ่งช่องใต้รอยต่อระหว่างกระดูกหลังเบ้าตาและกระดูกสความัส มีปุ่มกระดูกท้ายทอย 2 ปุ่ม มีช่องรูจมูก 1 ช่อง โพรงกะโหลกมีขนาดใหญ่ ขากรรไกรล่างเกิดจากกระดูกเพียงชิ้นเดียว มีกระดูกหูที่อยู่ในหูชั้นกลาง 3 ชิ้น ได้แก่ กระดูกค้อน กระดูกทั่ง และกระดูกโกลน กะโหลกศีรษะของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมนับว่ามีการเปลี่ยนแปลงรูปแบบของฟันเพื่อทำหน้าที่เฉพาะมากกว่าสัตว์ชนิดอื่นๆ ซึ่งจำแนกเป็นประเภทใหญ่ๆ ได้ ดังนี้
สัตว์ในอันดับลิงหรือไพรเมต (primate) วิวัฒนาการมาจากสัตว์ในอันดับอินเซคทิวอรา (Class Insectivora) ซึ่งลักษณะของกะโหลกศีรษะจะมีโพรงกะโหลกใหญ่ จมูกสั้น เบ้าตาชิดกัน ขากรรไกรห้อยต่ำ มีฟันที่เหมาะกับการกินทั้งพืชและสัตว์ เมื่อเปรียบเทียบกะโหลกศีรษะของมนุษย์และลิงกอริลลาซึ่งอยู่ในวงศ์ย่อย Homininae เดียวกัน พบว่ากะโหลกศีรษะของมนุษย์จะมีลักษณะขากรรไกรแบน ฟันขึ้นตรงตั้งฉาก และส่วนคางยื่นออกไปเล็กน้อย ในขณะที่กะโหลกศีรษะของลิงกอริลลาจะมีสันกระดูกเหนือตาที่ยื่นออกมา ขากรรไกรและฟันยื่นออกมาด้านหน้า แต่ส่วนคางหดเข้าไป
เมื่อเปรียบเทียบกะโหลกศีรษะของมนุษย์และของลิงชิมแพนซีซึ่งอยู่ในเผ่า Hominini เดียวกัน พบว่ากะโหลกศีรษะของมนุษย์และลิงชิมแพนซีในระยะทารกมีลักษณะที่คล้ายคลึงกัน คือมีรูปร่างกลม ขากรรไกรเล็ก และใบหน้าแบน แต่เมื่อเจริญเติบโตมากขึ้น กะโหลกศีรษะของชิมแพนซีจะมีขากรรไกรที่ยื่นออกมามากขึ้น หน้าผากลาดและมีฟันขนาดใหญ่ขึ้น ในขณะที่กะโหลกศีรษะของมนุษย์จะมีสัณฐานกลมเหมือนเช่นในระยะทารก ลักษณะดังกล่าวมีการสันนิษฐานว่าการเจริญของสมองมนุษย์นั้นมีระยะเวลานานกว่าของลิงชิมแพนซี ทำให้สามารถเรียนรู้ได้มากขึ้นและมีความฉลาดมากกว่าของลิงชิมแพนซี
มุมมองทางด้านข้างของกะโหลกศีรษะของเด็กแรกเกิด แสดงกระหม่อมหน้า กระหม่อมข้าง และกระหม่อมกกหู
