thumb|Diagram Penrose’a płaskiej czasoprzestrzeni Minkowskiego. Nieskończoność znajduje się na brzegu skończonego rombu. Diagram Penrose’a (, także diagram Penrose’a–Cartera lub diagram Cartera–Penrose’a) – dwuwymiarowy diagram używany w ogólnej teorii względności do opisu globalnej struktury przyczynowej czasoprzestrzeni. Powstaje przez konforemne przeskalowanie metryki. Takie przeskalowanie przenosi nieskończone obszary czasu i przestrzeni na skończoną granicę rysunku. Zachowuje przy tym kierunki promieni świetlnych. Dzięki temu linie świetlne pozostają nachylone pod kątem 45°, a z diagramu można odczytać, które zdarzenia da się połączyć sygnałem.
Diagram stosuje się do opisu konforemnej nieskończoności, horyzontów zdarzeń, osobliwości i globalnej struktury czarnych dziur. Zachowuje relacje przyczynowe, ale nie jest rysunkiem w skali. Nie przedstawia wiernie odległości, czasów własnych ani wartości krzywizny.
Nazwa upamiętnia Rogera Penrose’a, który w latach 60. XX wieku rozwinął konforemne ujęcie nieskończoności w teorii względności. W wariantach Penrose’a–Cartera i Cartera–Penrose’a odnosi się także do , stosującego pokrewne diagramy w analizie dokładnych rozwiązań równań Einsteina.