Phòng thí nghiệm khoa học Sao Hỏa (tiếng Anh: Mars Science Laboratory, MSL) là một dự án của NASA[3][4] nhằm đưa xe tự hành mang tên Curiosity lên Sao Hỏa. Curiosity được phóng lên vào ngày 26 tháng 11 năm 2011 và đã đổ bộ lên Sao Hỏa vào khoảng 5:31 UTC ngày 6 tháng 8 năm 2012. Nó đã thực hiện cuộc đổ bộ chính xác nhất từ trước tới nay lên Sao Hỏa. Curiosity sẽ đánh giá liệu Sao Hỏa đã từng, hoặc vẫn còn có (cho đến ngày nay) một môi trường có khả năng tạo điều kiện cho các vi sinh vật tồn tại. Nói cách khác, nhiệm vụ của robot sẽ là xác định khả năng ở được của Sao Hỏa.[5]
MSL có khối lượng gấp 5 lần và khối lượng các thiết bị khoa học mang theo gấp 10 lần so với hai robot tự hành Spirit hoặc Opportunity.[6] Xe tự hành MSL sẽ được phóng lên bởi tên lửa Atlas V 541 và theo kế hoạch sẽ hoạt động ít nhất 1 năm Sao Hỏa (668 ngày Sao Hỏa (sol) / 686 ngày Trái Đất) và thám hiểm trên một vùng rộng lớn hơn so với các xe tự hành trước đó.
MSL có bốn mục tiêu: xác định sự sống có từng xuất hiện trên Sao Hỏa, nghiên cứu khí hậu Sao Hỏa, nghiên cứu địa chất Sao Hỏa, và chuẩn bị cho các chuyến thám hiểm có con người trong tương lai. Để thực hiện bốn mục tiêu khoa học này, Phòng thí nghiệm khoa học Sao Hỏa có tám nhiệm vụ khoa học cụ thể:[8][9]