三氧化硫（IUPAC名：sulphur trioxide，分子式：SO₃）是一种硫的氧化物，有类似二氧化硫的气味，溶于水中反应成硫酸。它的气体形式是一种严重的污染物，是形成酸雨的主要来源之一。

在673K、1atm下，三氧化硫略有分解并达到平衡（三氧化硫含量99.2%），较低的温度与较高的压力有利于三氧化硫的稳定。但1173K时，三氧化硫完全分解。

气态的SO₃是一种具有D_3h对称的平面正三角形分子，含有一个离域的${\displaystyle {\mathrm{\pi <!--\; \pi \; -->}}_4^6}$-SO₃的三聚体。这种分子形式是一种熔点在16.8℃的无色固体。它形成的环状结构被称为₃.

如果SO₃在27℃以上冷凝，可形成熔点为62.3℃的-"SO₃" . -SO₃外观为类似石棉的纤维状（虽然两者相差甚远）。在结构上来说，它是形如的聚合物。聚合物分子的每个末端都以-OH结束（因此-"SO₃"并非真正是SO₃的一个构型）。-SO₃是与α构型相类似、但相对分子质量不同的纤维状聚合物，其分子末端亦皆为羟基，熔点为32.5℃。γ构型和β构型都是介稳的，在长时间放置后最终会转化为稳定的α构型。这种转化是由痕量水导致的。

在同一温度下固体SO₃的相对蒸气压大小为α<β<γ，亦指明它们相对分子质量的大小。液态三氧化硫的蒸气压说明它是γ构型。因此加热-SO₃的晶体至其熔点时会导致蒸气压的突然升高，巨大的压力甚至可以冲破加热它的玻璃管。这个结果被称为"α爆炸。"

SO₃极易水解。事实上，由于SO₃使碳水化合物脱水并放出大量热，该反应足以使混合了SO₃的木头或者棉花点燃。

在实验室中三氧化硫可以通过硫酸氢钠的两步高温分解来制备：

其他的金属硫酸氢盐同样在这个办法中适用，这个的关键在于中间媒介焦硫酸盐的稳定性。

SO₃的工业制法是接触法。二氧化硫通常通过硫的燃烧或黄铁矿矿石（一种含硫铁矿石）的煅烧得到的，先通过静电沉淀进行提纯。提纯后的SO₂在400至600°C的温度下，用负载在硅藻土上的含氧化钾或硫酸钾（助催剂）的五氧化二钒作为催化剂，将二氧化硫用氧气氧化为三氧化硫。铂同样可以充当这个反应的催化剂但是价格昂贵，比混合物更容易发生催化剂中毒（导致失效）。其催化机理为：

以这种方式制得的三氧化硫大部分都被转化为了硫酸，但不能用水进行吸收，否则将形成大量酸雾，但如果采用98.3%硫酸作吸收剂，因其液面上水、三氧化硫和硫酸的总蒸气压最低，故吸收效率最高。

另外，把硫酸铜在空气中加热至650°C，硫酸铜会分解成三氧化硫及氧化铜。

另一种方法是用一氧化氮催化氧化二氧化硫，但此法的缺陷是使用的一氧化氮剧毒（也有认为钒也是此反应的催化剂）：

SO₃是硫酸（H₂SO₄）的酸酐，三氧化硫与水反应，释放出大量的热，而形成硫酸。因此，可以发生以下反应：

这个反应进行得非常迅速，而且是放热反应。在大约~340 °C以上时，硫酸、三氧化硫和水才可以在平衡浓度下共存。

三氧化硫也与二氯化硫发生反应来生产很有用的试剂——亚硫酰氯。

人体吸入三氧化硫后，气体进入呼吸道及肺，并溶于粘液，形成硫酸，腐蚀呼吸道。