Eine Potentialbarriere, auch Potentialschwelle oder Potentialwall, ist ein Raumbereich, in dem ein Potential ein lokales Maximum annimmt (Abbildung Bereich II). Als Potential wird dabei eine Funktion bezeichnet, die jedem Punkt im Raum oder jedem Zustand in einem Phasenraum eine potentielle Energie zuordnet. Raumbereiche, die sich zwischen Potentialbarrieren befinden und in denen das Potential ein lokales Minimum annimmt, werden als Potentialtöpfe bezeichnet. Ob ein System oder ein Teilchen eine Potentialbarriere überwinden kann (von Bereich I in Bereich III der Abbildung wechseln), hängt dabei von seiner Energie, der Höhe und der Form der Barriere ab.
Eine Potentialbarriere kann unterschiedliche Formen besitzen. Zu Berechnungs- und Illustrationszwecken wird häufig die Form einer Rechteckfunktion aus zwei Potentialstufen verwendet.
Eine wichtige Potentialbarriere ist der Coulombwall.