아타카마 사막(스페인어: Desierto de Atacama, 영어: Atacama Desert, 문화어: 아따까마 사막)은 남아메리카 안데스산맥 서부 칠레 북쪽의 태평양 연안에 있는 사막이다. 남위 18°24'에서 남위 29°55'까지의 지역으로 동서 방향으로 평균 100㎞, 남북 방향으로 1,600㎞ 정도이고 면적은 105,000km²이다. 칠레, 볼리비아, 페루, 아르헨티나와 국경을 접하고 있으며 대부분의 지역이 칠레 영토에 속한다.

해발 고도 1,500m에까지 펼쳐져 있는 고원지대로, 비가 거의 내리지 않아 나사 · 내셔널 지오그래픽 등의 연구에 따르면 아타카마 사막은 세계에서 가장 메마른 곳이다. 훔볼트 해류에 의한 해안 기온 역전층과 칠레 연안의 비그늘로 인해 아타카마 사막은 약 2,000만년동안 건조 상태로 유지되어 왔다. 이 곳은 캘리포니아 데스 밸리보다 50배 이상 건조하다. 일평균 기온이 0~25℃로 한랭한 기후가 유지된다. 아타카마 사막은 대부분이 염분 · 모래 · 화강암으로 이루어져 있으며, 건조한 기후 조건을 이용하여 ALMA 등의 천문 관측 시설이 들어섰다.

오아시스나 광산 마을에 백만 명 정도가 살고 있다. 19세기에 비료의 원료로 사용되는 초석(硝石)이 많이 생산되어 19세기후반에 페루, 칠레, 볼리비아 간에 전쟁까지 치루었다.(태평양 전쟁) 20세기 전반에 화학비료가 대량생산된후에는 아르헨티나, 칠레 국경 지역에서 채굴되는 구리가 최대생산품이 되었다.