Petrologija (iz grškega: πέτρα [petra] – skala in λόγος [logos] - znanje) je veja geologije, ki preučuje kamnine in pogoje, v katerih so kamnine nastale. Deli se na petrologijo magmatskih, metamorfnih in sedimentnih kamnin.
Litologija je bila nekoč približen sinonim za petrografijo, danes pa je petrološka disciplina, ki se ukvarja z opisovanjem makroskopskih vzorcev in izdankov kamnin, medtem ko se petrografija ukvarja z mikroskopskimi podrobnostmi.
Petrolofija uporablja za opisovanje sestave in zgradbe kamnin klasično mineralogijo, petrografijo, optično mineralogijo in kemijsko analizo. Sodobni petrologi uporabljajo za preučevanje trendov in ciklov tudi načela geokemije in geofizike ter termodinamske in eksperimentalne podatke.