Một hệ điều hành thời gian thực (tiếng Anh: real-time operating system, viết tắt: RTOS) là một hệ điều hành (OS) nhằm phục vụ các ứng dụng thời gian thực, với việc xử lý dữ liệu đầu vào mà không có sự chậm trễ của bộ đệm (buffer). Các yêu cầu về thời gian xử lý (bao gồm cả sự chậm trễ của hệ điều hành) được tính bằng phần mười của giây hoặc bằng thời gian ngắn hơn nữa. Một hệ thống thời gian thực là một hệ thống giới hạn thời gian với các các ràng buộc thời gian cố định được định nghĩa rõ ràng. Quá trình xử lý phải được thực hiện trong một khoản thời gian cố định, nếu không thì hệ thống sẽ gặp sự cố. Việc này có thể được thực hiện thông qua cơ chế hướng sự kiện (event-driven) hoặc chia sẻ thời gian (time-sharing). Các hệ thống hướng sự kiện sẽ chuyển đổi giữa các tác vụ (task) nhiệm vụ dựa trên độ ưu tiên của chúng trong khi các hệ thống chia sẻ thời gian sẽ chuyển đổi các tác vụ dựa trên ngắt của xung nhịp. Phần lớn các hệ điều hành thời gian thực đều sử dụng giải thuật pre-emptive scheduling (tạm dịch: lập lịch trước).