Một lỗ đen đôi (viết tắt ở tiếng Anh là BBH) là một hệ thống bao gồm hai lỗ đen ở quỹ đạo gần nhau. Giống như bản thân các lỗ đen, các lỗ đen đôi thường được chia thành các lỗ đen sao đôi, được hình thành dưới dạng tàn dư của các hệ sao đôi khối lượng lớn hoặc bằng các quá trình tác dụng và bắt lẫn nhau; và các lỗ đen đôi siêu lớn, được cho là kết quả của sự hợp nhất giữa các thiên hà. Trong nhiều năm, việc chứng minh sự tồn tại của các lỗ đen đôi gặp rất nhiều khó khăn do bản chất của chính các lỗ đen và các phương tiện phát hiện để hố đen rất hạn chế. Tuy nhiên, trong trường hợp khi một cặp lỗ đen hợp nhất, một lượng năng lượng khổng lồ sẽ được tỏa ra dưới dạng sóng hấp dẫn, với các dạng sóng đặc biệt có thể được tính toán bằng thuyết tương đối rộng. Do đó, trong cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21, các lỗ đen đôi trở nên rất được quan tâm về mặt khoa học như một nguồn tiềm năng của các sóng hấp dẫn, và thậm chí cả sóng hấp dẫn có thể được chứng minh là tồn tại. Sự hợp nhất lỗ đen đôi sẽ là một trong những nguồn sóng hấp dẫn mạnh nhất được biết đến trong Vũ trụ, và do đó mang lại cơ hội tốt để phát hiện trực tiếp những sóng như vậy. Khi các lỗ đen quay quanh quỹ đạo và phát ra các sóng này, quỹ đạo bị suy giảm và chu kỳ quỹ đạo giảm. Giai đoạn này được gọi là cảm hứng lỗ đen đôi. Các lỗ đen sẽ hợp nhất khi chúng ở đủ gần. Sau khi hợp nhất, lỗ đơn sẽ lắng xuống một dạng ổn định, thông qua một giai đoạn gọi là "ringdown", nơi mà bất kỳ sự biến dạng nào trong hình dạng cầu đều bị tiêu tan và tạo nhiều sóng hấp dẫn hơn. Trong khoảng khoắc cuối cùng, các lỗ đen có thể đạt vận tốc cực lớn và biên độ sóng hấp dẫn đạt đến cực đại. Sự tồn tại của các lỗ đen sao đôi (và bản thân sóng hấp dẫn) cuối cùng đã được xác nhận khi LIGO phát hiện GW150914 (được phát hiện vào tháng 9 năm 2015, được công bố vào tháng 2 năm 2016), một dấu hiệu sóng hấp dẫn đặc biệt của hai lỗ đen khối lượng sao hợp nhất có khối lượng khoảng 30 khối lượng Mặt trời từng xảy ra cách chúng ta khoảng 1,3 tỷ năm ánh sáng. Trong 20 ms cuối cùng của chuyển động xoắn ốc vào trong và hợp nhất, GW150914 giải phóng ra xung quanh 3 khối lượng mặt trời dưới dạng năng lượng hấp dẫn, đạt cực đại với công suất 3,6 × 1049 watt - nhiều hơn công suất tổng hợp của tất cả ánh sáng của tất cả các ngôi sao trong vũ trụ quan sát được cộng lại với nhau. Về loại hố đen đôi siêu lớn thì đã có một số ứng cử viên, nhưng hiện vẫn chưa được chứng minh tồn tại.