نظرية الرياضيات المنطقية (Mathematical Logic) هي فرع من الرياضيات يدرس التفاعل بين اللغة الطبيعية والرياضيات من خلال الاستنتاجات المنطقية. ويشمل هذا الفرع دراسة الحساب الرمزي الشامل والمنطق الرمزي ودليله والنظريات ذات الصلة بالتحكم في العمليات الآلية والمعلوماتية.
تم تطوير نظرية الرياضيات المنطقية في القرن التاسع عشر على يد عدد من العلماء بما فيهم جورج بول، والذي قدم في عام 1854 مفهوم الجبر البوولي كطريقة لتمثيل الاستنتاجات المنطقية بتطبيق العمليات الرياضية. وقد استخدم فيما بعد عدد من الأدوات المنطقية الأخرى مثل الدليل والإثبات الرياضي والمسائل القابلة للحل.
وتستخدم نظرية الرياضيات المنطقية في العديد من المجالات العلمية والتقنية، مثل علم الحاسوب وعلم الفلك وعلم الفيزياء والفلسفة.