Trollheimen, forrevet fjellparti i grensestrøkene mellom Møre og Romsdal og Sør-Trøndelag – fylke fylker.
Trollheimen ligger mellom Surnadal–Rindal i nord, Orklas/Granas dalføre i øst, Oppdal–Sunndal i sør og Nordmøres fjorder i vest. Trollheimen omfatter deler av kommunene Surnadal, Rindal og Sunndal (Møre og Romsdal) og Meldal, Rennebu og Oppdal (Sør-Trøndelag). De høyeste partiene ligger mellom Innerdalen og Sunndalen i sør (Trolla 1850 moh.); de sentrale deler av Trollheimen når 1600–1700 moh. (Snota 1669 moh., Trollhetta 1616 moh., Blåhø 1671 moh.). Dype, trange daler gjennomfurer fjellpartiet, særlig kjent er Innerdalen og Todalen i sørvest. En rekke turisthytter, mest kjent er Gjevilvasshytta, sørøst for Blåhø, størst er Innerdalshytta sentralt i Innerdalen og Trollheimshytta øst for Snota.
Flere av vassdragene er vernet. Det meste av Trollheimen er landskapsvernområde.
Navnet ble først foreslått av Håkon Løken på slutten av 1800-tallet.