Penrose merdiveni veya imkansız merdiven, Lionel Penrose ve oğlu Roger Penrose tarafından oluşturulan imkansız bir nesnedir. Penrose üçgeni'nin merdiven şeklindeki varyasyonu kabul edilir. Bu yanılsamada 90 derecelik dönüşlerle yükselen (veya alçalan) bir merdiven 2 boyutlu olarak tasvir edilmiştir. Bir kişinin bu merdivenleri çıktığı hayal edildiğinde sonuçta herhangi bir yükselme ya da alçalma olmadığı hep başladığı yere döndüğü sonsuza kadar devam eden bir döngü ortaya çıkmaktadır. Üç boyutlu uzayda açıkca imkansız olan bu merdivene Penrose merdiveni denir.