Tähtilaiva on hypoteettinen avaruusalus, joka on tarkoitettu tähtijärjestelmien väliseen liikenteeseen.
Termi esiintyy enimmäkseen tieteisfiktiossa, sillä ihmiskunta ei vielä ole rakentanut tähtilaivoja, ellei Voyager- ja Pioneer-sarjan luotaimia lasketa sellaisiksi. Kyseisten luotainten matka tähtiin kestää miljoonia vuosia, eivätkä ne saavu perille toimintakuntoisina.