การสูญพันธุ์ครั้งใหญ่ (อังกฤษ: mass extinction) เป็นปรากฏการณ์ทางธรรมชาติที่เป็นข้อสันนิษฐานว่า เป็นสาเหตุให้สิ่งมีชีวิตบนโลกหลากชนิดหลายสายพันธุ์ต้องสูญพันธุ์ไปในเวลาพร้อมๆกันหรือไล่เลี่ยกัน
เหตุการณ์การสูญพันธุ์ครั้งใหญ่ ไม่ได้เกิดขึ้นแค่เพียงครั้งเดียว ในช่วง ยุคครีเตเชียส (Cretaceous) ซึ่งเป็นยุคที่ไดโนเสาร์เป็นสิ่งมีชีวิตอันดับบนสุดของห่วงโซ่อาหารอย่างที่คนทั่วไปเข้าใจ หากแต่การสูญพันธุ์ครั้งใหญ่เคยเกิดขึ้นมาแล้วหลายครั้ง การประเมินระยะเวลาการเกิดเหตุการณ์ ทำโดยวินิจฉัยจากซากฟอสซิลจากทะเลเป็นส่วนใหญ่ เนื่องมาจากว่าสามารถ ค้นพบได้ง่ายกว่าฟอสซิลที่อยู่บนบก
เหตุการณ์การสูญพันธุ์ครั้งใหญ่ที่เป็นที่สนใจและผู้คนทั่วไปรู้จักกันดีที่สุดคือ เหตุการณ์การสูญพันธุ์ครั้งใหญ่ในช่วงยุคครีเตเชียส (Cretaceous) เมื่อราว 65 ล้านปีที่แล้ว ซึ่งเป็นสาเหตุที่ทำให้ไดโนเสาร์ขนาดใหญ่สูญพันธุ์ทั้งหมด เมื่อทำการศึกษาพบว่าตั้งแต่ 550 ล้านปีก่อนเป็นต้นมา ได้เกิดการสูญพันธุ์ครั้งใหญ่ขึ้นทั้งหมดประมาณ 5 ครั้ง ซึ่งทำให้สิ่งมีชีวิตสูญพันธุ์ไปราวๆ 50% ของทั้งหมด เนื่องจากระยะเวลาที่เกิดขึ้นนานมาก การสูญพันธุ์ครั้งใหญ่ก่อนหน้ายุคครีเตเชียสมักลำบากในการศึกษารายละเอียด เพราะหลักฐานซากฟอสซิลสำหรับตรวจสอบมีหลงเหลือน้อยมาก
สายพันธุ์ของสิ่งมีชีวิตซึ่งอาศัยในน้ำสูญพันธุ์ไป 25% คิดเป็น 60% ของสายพันธุ์สิ่งมีชีวิตที่อาศัยในน้ำทั้งหมด
น้ำทะเลลดระดับลงจากการก่อตัวเป็นก้อนน้ำแข็งยักษ์ และต่อมาน้ำทะเลจึงเพิ่มระดับขึ้นกะทันหัน จากการละลายของก้อนน้ำแข็งขนาดยักษ์
สายพันธุ์ของสิ่งมีชีวิตที่อาศัยในน้ำสูญพันธุ์ไป 22% คิดเป็น 57% ของสายพันธุ์สิ่งมีชีวิตที่อาศัยในน้ำทั้งหมด
ภูเขาไฟใต้น้ำระเบิดครั้งใหญ่ที่บริเวณตอนกลางของมหาสมุทรแอตแลนติก ปลดปล่อยลาวาจำนวนมหาศาลออกมา และอาจทำให้เกิด ภาวะโลกร้อนขั้นวิกฤต โดยพบหลักฐานการระเบิดจากหินภูเขาไฟที่ทางตะวันออกของสหรัฐอเมริกา ทางตะวันออกของบราซิล และทางเหนือของแอฟริกาและสเปน
ดาวเคราะห์น้อยขนาดความกว้างหลายไมล์พุ่งเข้าชนโลก ทำให้เกิดหลุมอุกกาบาตชิกซูลูบ (Chicxulub Crater) ที่บริเวณคาบสมุทรยูคาทัน (Yucatan Peninsula) และใต้อ่าวเม็กซิโก
