Atmosferik kırılım(ya da atmosferik kırılma) ışığın ya da diğer bir elektromanyetik dalganın atmosferden geçerken ilerlediği düz çizgiden sapmasına verilen isimdir. Bu sapma havanın yoğunluğunun yüksekliğe bağlı olarak değişmesinden kaynaklanır. Yere yakın bölgelerde meydana gelen atmosferik kırılım serpalara neden olur ve uzaktaki cisimlerin parıldamasına ya da dalgalanmasına; yüksek veya alçak görünmesine; genişlemiş veya daralmış görünmesine sebep olur. Atmosferik kırılım terimi ışığın kırılmasında da kullanılır. Atmosferik kırılım astronomik cisimlerin olduğundan daha yukarıda görünmelerine sebep olur. Aynı derecede olmasa da, sadece ışınları değil bütün elektromanyetik ışımaları etkiler. Örneğin görülür ışıklardan mavi ışık kırmızıdan daha çok etkilenir bu kırılımdan. Bu durum yüksek çözünürlüklü görüntülerde atmosferik cisimlerin renk renk görülmesine sebep olur. (Renkler bir spektrum halinde görülür.)
Gökbilimciler bir cismi gözlemleyecekleri zaman, gözlem zamanını cismin yücelim vaktine yakın seçerler. Bu vakit cismin gökyüzünde en yüksekte olduğu zamandır. Benzer bir biçimde hiçbir denizci ufuktan yirmi derece aşağıdaki bir cisme göre gözlem yapmazlar. Eğer ufuk çizgisine yakın bölgelerde gözlem yapılacaksa, kırılım yüzünden ortaya çıkabilecek kaymaları düzelten kontrol sistemlerine sahip teleskoplar kullanılabilir. Eğer dağılma da söz konusuysa (yüksek çözünürlüklü görüntülerde olduğu gibi), yine atmosferik kırlımı düzelten araçlar kullanılabilir. Bir çift dönen cam prizmadan oluşur bu araçlar. Atmosferik kırılım sıcaklığa, basınca ve neme de (özellikle orta-kızılötesi dalgaboylarında) bağlıdır, bu yüzden başarılı bir düzeltme yapmak için harcana çaba fahiş olabilir.
Hava boşlukları (türbülans) gibi atmosferin homojenliğinin bozulduğu durumlarda, düzeltme işi gerçekten zorlaşır. Doğuş ve batış sırasında güneşin şeklinin bozulmasının ve yanıp sönen yıldız ışıklarının sebebi budur.
