Sergej Ľvovič Sobolev (rus. Сергей Львович Соболев; * 6. október 1908, Petrohrad, Rusko – † 3. január 1989, Moskva, Rusko, ZSSR) bol ruský matematik. Je známy predovšetkým vďaka svojej práci v oblasti matematickej analýzy, konkrétne funkcionálnej analýzy a parciálnych diferenciálnych rovníc. Sú po ňom pomenované Sobolevove priestory.
