نظرية الرسوم البيانية (بالإنجليزية: Graph Theory) هي فرع من فروع الرياضيات البحتة يدرس العلاقات بين النسب المختلفة وتصورها على شكل رسوم بيانية (نماذج رسومية). وتهتم هذه النظرية بدراسة هذه الأشكال الرسومية والأنماط المختلفة التي تحتوي عليها وكيفية التعامل معها والعثور على بعض الخصائص المنطقية لهذه الأشكال المتداخلة والمتصلة.
تستخدم نظرية الرسوم البيانية في مجالات وتطبيقات عديدة، من بينها:
1- علوم الحاسوب: تستخدم الرسوم البيانية في تمثيل هياكل البيانات مثل الرسوم البيانية الاتجاهية ورسوم الأشجار والمصفوفات والجداول والنصوص، وكذلك في البحث الرقمي وحل المشاكل المعقدة مثل خوارزميات الترتيب والبحث والتحليل.
2- علم الأحصاء: يستخدم علم الإحصاء الرسوم البيانية في التحليل الإحصائي والتصميم الإحصائي، وفي عرض البيانات الإحصائية في النماذج الرسومية من خلال الهيستوغرامات والرسوم الدائرية والرسوم الخطية.
3- علم الرسوم البيانية: هذه التخصصات تعنى بدراسة المفاهيم الرسومية والأساليب والتقنيات اللازمة لتصميم الرسوم البيانية الفعالة والمؤثرة في الإيصال بالرسالة وتحقيق الأهداف المرجوة، ويستخدم في التصميم الإعلامي والإعلاني والتسويق والإنتاج الفني.
4- علم الرياضيات: تستخدم نظرية الرسوم البيانية في علوم الرياضيات البحتة لدراسة وفهم العلاقات المختلفة بين الأشكال المختلفة وللتعرف على الخصائص الرياضية لهذه الأشكال مثل القطع الناقصة والأنماط المتضاعفة وتصنيف الدوائر والمسارات المشتركة.