รังสีคอสมิก (อังกฤษ: cosmic ray) เป็นรังสีพลังงานสูงอย่างยิ่งที่ส่วนใหญ่กำเนิดนอกระบบสุริยะ อาจทำให้เกิดการสาดอนุภาครองซึ่งทะลุทะลวงและมีผลกระทบต่อบรรยากาศของโลกและบ้างมาถึงผิวโลกได้ รังสีคอสมิกประกอบด้วยโปรตอนและนิวเคลียสอะตอมพลังงานสูงเป็นหลัก มีที่มาลึกลับ ข้อมูลจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศแฟร์มี (2556) ถูกตีความว่าเป็นหลักฐานว่าส่วนสำคัญของรังสีคอสมิกปฐมภูมิกำเนิดจากมหานวดารา(supernova) ของดาวฤกษ์ขนาดยักษ์ ทว่า คาดว่ามหานวดารามิใช่แหล่งเดียวของรังสีคอสมิก นิวเคลียสดาราจักรกัมมันต์อาจผลิตรังสีคอสมิกด้วย
รังสีคอสมิกถูกเรียกว่า "รังสี" เพราะทีแรกเข้าใจผิดว่าเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ในการใช้ทางวิทยาศาสตร์ทั่วไป อนุภาคพลังงานสูงที่มีมวลในตัว เรียก รังสี "คอสมิก" และโฟตอน ซึ่งเป็นควอนตัมของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า (จึงไม่มีมวลในตัว) ถูกเรียกด้วยชื่อสามัญ เช่น "รังสีแกมมา" หรือ "รังสีเอ็กซ์" ขึ้นกับความถี่
รังสีคอสมิกดึงดูดความสนใจอย่างมากในทางปฏิบัติ เนื่องจากความเสียหายที่รังสีกระทำต่อไมโครอิเล็กทรอนิกส์ และชีวิตนอกเหนือการป้องกันจากบรรยากาศและสนามแม่เหล็ก และในทางวิทยาศาสตร์ เพราะมีการสังเกตว่า พลังงานของรังสีคอสมิกพลังงานสูงอย่างยิ่ง (ultra-high-energy cosmic rays, UHECRs) ที่มีพลังงานมากที่สุดเฉียด 3 ? 1020eV หรือเกือบ 40 ล้านเท่าของพลังงานของอนุภาคที่ถูกเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่เร่ง ที่ 50 จูล รังสีคอสมิกพลังงานสูงอย่างยิ่งมีพลังงานเทียบเท่ากับพลังงานจลน์ของลูกเบสบอลความเร็ว 90 กิโลเมตรต่อชั่วโมง ด้วยผลการค้นพบเหล่านี้ จึงมีความสนใจสำรวจรังสีคอสมิกเพื่อหาพลังงานที่สูงกว่านี้ ทว่า รังสีคอสมิกส่วนมากไม่มีพลังงานสูงสุดขีดเช่นนั้น การกระจายพลังงานของรังสีคอสมิกสูงสุดที่ 0.3 กิกะอิเล็กตรอนโวลต์ (4.8?10?11 J)
ในบรรดารังสีคอสมิกปฐมภูมิซึ่งกำเนิดนอกบรรยากาศของโลก ราว 99% ของนิวเคลียส (ซึ่งหลุดจากเปลือกอิเล็กตรอนของมัน) เป็นอะตอมที่ทราบกันดี และราว 1% เป็นอิเล็กตรอนเดี่ยว (คล้ายอนุภาคบีตา) ในจำนวนนิวเคลียส ราว 90% เป็นโปรตอน คือ นิวเคลียสไฮโดรเจน 9% เป็นอนุภาคแอลฟา และ 1% เป็นนิวเคลียสของธาตุหนักกว่า ส่วนน้อยมากเป็นอนุภาคปฏิสสารที่เสถียร เช่น โพสิตรอนและแอนติโปรตอน ธรรมชาติที่แน่ชัดของส่วนที่เหลือนี้เป็นขอบเขตการวิจัยที่กำลังดำเนินอยู่ การแสวงอนุภาคอย่างแข็งขันจากวงโคจรโลกยังไม่พบแอนติแอลฟา
รัสีคอสมิกทำให้โมเลกุลไนโตรเจนและออกซิเจนในบรรยากาศกลายเป็นไอออน ซึ่งนำไปสู่ปฏิกิริยาเคมีจำนวนหนึ่ง มีปฏิกิริยาหนึ่งส่งผลให้เกิดการพร่องโอโซน รังสีคอสมิกยังมีผลผลิตไอโซโทปไม่เสถียรจำนวนหนึ่งในบรรยากาศของโลกอย่างต่อเนื่อง เช่น คาร์บอน-14 ผ่านปฏิกิริยา
รังสีคอสมิกรักษาระดับคาร์บอน-14 ในบรรยากาศเกือบคงที่ (70 ตัน) เป็นเวลาอย่างน้อย 100,000 ปีที่ผ่านมา กระทั่งการเริ่มการทดสอบอาวุธนิวเคลียร์เหนือพื้นดินในช่วงต้นคริสต์ทศวรรษ 1950 เป็นข้อเท็จจริงสำคัญที่ใช้ในการหาอายุคาร์บอนรังสีในโบราณคดี
