Een polyatomisch ion (poly is Grieks voor veel) ook bekend als moleculair ion, is een geladen chemische verbinding: een ion dat wordt gevormd door de covalente binding tussen minstens twee atomen, afkomstig van meestal verschillende atoomsoorten.
Bekende voorbeelden van polyatomische ionen zijn het hydroxideanion (OH−) en het ammoniumkation (NH4+).
Een polyatomisch ion kan vaak beschouwd worden als het geconjugeerde zuur of de geconjugeerde base van een neutrale molecule. Het sulfaation (SO42−) is hiervan een voorbeeld: het is namelijk afgeleid van zwavelzuur (H2SO4), dat zelf kan beschouwd worden als het hydraat van zwaveltrioxide.