Hệ điều hành di động (tiếng Anh "mobile operating system") là một hệ điều hành dành cho các thiết bị điện thoại di động, máy tính bảng, đồng hồ thông minh, laptop 2 trong 1 (laptop có thể chuyển giữa chế độ máy tính và máy tính bảng), hoặc các thiết bị di động khác. Trong khi đa phần các máy tính xách tay (laptop) cũng có tính "di động", nhưng các hệ điều hành thường được sử dụng trên chúng không được xem là hệ điều hành di động, vì các hệ điều hành này được thiết kế ban đầu cho máy tính để bàn và không có hoặc không cần các tính năng di động cụ thể. Ngày nay, sự phân biệt giữa hệ điều hành cho máy tính để bàn và hệ điều hành di động càng trở nên mờ dần, khi một số hệ điều hành mới hoặc các phiên bản mới cho phép hỗ trợ cả hai nền tảng di động và cố định.
Hệ điều hành di động kết hợp các tính năng của một hệ điều hành cho máy tính cá nhân với các tính năng khác hữu ích cho việc sử dụng di động hoặc cầm tay; thường bao gồm hầu hết các chức năng được coi là cần thiết trong các hệ thống di động hiện đaị như: màn hình cảm ứng, mạng thiết bị di động, Bluetooth, Wi-Fi Protected Access, Wi-Fi, Hệ thống Định vị Toàn cầu (GPS), máy ảnh số cho phép chụp ảnh và quay video, nhận dạng tiếng nói, thu âm, chơi nhạc, kết nối trường gần, và đèn hồng ngoại điều khiển từ xa. Đến cuối năm 2016, hơn 430 triệu điện thoại thông minh đã được bán với 81,7 % chạy nền tảng Android, 17.9 % chạy iOS, 0.3 % chạy Windows 10 Mobile (hiện các thiết bị chạy nền tảng này không còn được bán trên thị trường) và các hệ điều hành khác chiếm 0.1%. Android còn phổ biến hơn so với hệ điều hành Windows, hệ điều hành phổ biến nhất trên máy tính để bàn. Lượng sử dụng điện thoại thông minh (thậm chí chưa bao gồm máy tính bảng) đã nhiều hơn cả lượng máy tính để bàn đang sử dụng (nhu cầu sử dụng máy tính tổng thể đã giảm xuống 44,9% trong quý I năm 2017).
Thiết bị di động có khả năng truyền thông di động (ví dụ: điện thoại thông minh) hiện nay đa số chứa hai hệ điều hành di động - 1 là nền tảng giao diện phần mềm chính và 2 là một hệ điều hành thời gian thực cấp thấp điều khiển sóng thu phát và các linh kiện phần cứng khác. Các nghiên cứu chỉ ra rằng các hệ thống cấp thấp có thể chứa một loạt các lỗ hổng bảo mật cho phép các tin tặc có ý đồ xấu tấn công vào thiết bị và nắm được quyền kiểm soát cao đối với thiết bị di động của người dùng khác.
Các hệ điều hành di động đã được sử dụng phần lớn vào năm 2017 (được thống kê bằng việc sử dụng web); thậm chí các điện thoại thông minh (không kể máy tính bảng) được sử dụng nhiều hơn bất kỳ loại thiết bị khác. Do đó, nhu cầu sử dụng hệ điều hành máy tính để bàn truyền thống, cũng như nhu cầu tiêu dùng về máy tính, laptop cá nhân hiện nay đã giảm sút nhiều so với thời đại trước.