De Kosmonautenzee (Engels: Cosmonauts Sea) is een voorgestelde naam voor een deel van de Zuidelijke Oceaan voor de kust van Antarctica. Het ligt voor de kust van Prins Olavkust en Enderbyland, ongeveer tussen 30° OL en 50° OL. Het zou een oppervlakte hebben van 699.000 vierkante kilometer.
Het zou worden begrensd door twee andere voorstellen uit een ontwerp van de Internationale Hydrografische Organisatie (IHO) uit 2002, de Samenwerkingzee in het oosten en de Riiser-Larsenzee in het westen.
Het water is hier het hele jaar door bijna ijskoud en is grotendeels bedekt met ijs. Tussen 1973 en 1986 hebben zich in deze wateren verschillende polinia's voorgedaan, waarbij de volledig omsloten kosmonautpolynya op 25 juli 1980 zijn maximale omvang bereikte, met een open wateroppervlak van maar liefst 137.700 km². Deze polinia duurde enkele weken voordat hij op 16 augustus 1980 verdween.