双黑洞（英语：Binary black hole）是由两颗绕着共同的重心旋转的黑洞组成的系统。其中恒星双黑洞是高质量双星系统的残骸，至于超重双黑洞则被认为是星系并合（英语：Galaxy merger）所造成的。

目前已发现一些超重双黑洞候选系统，它们在天文物理学中被视为具高度重要性，因为它们是目前宇宙中已知的最强引力波源。随着公转的黑洞向外散播出引力波，它们的轨道逐渐衰变，其公转周期亦随之变短。这个阶段被称作双黑洞旋近（binary black hole inspiral）。当二个黑洞足够靠近，便会并合成单一黑洞。并合后，这个单一的黑洞进入了铃宕（ring-down）阶段，它的任何形变随着更多引力波的产生而逐渐消散。

空间引力波探测器如LISA和DECIGO可以通过测量双黑洞的多极矩系数来计算它们的克尔特征。

阿尔伯特·爱因斯坦研究所的一位研究员于2015年9月14日发现的引力波信号与广义相对论中对双黑洞环降现象的理论预测相符。这是人类首次直接探测到引力波，也是对双黑洞并合首度观测。这项结果展示了双黑洞系统确实存在，且其并合在宇宙的目前阶段仍能发生。该结果于2016年2月11日由激光干涉引力波天文台（LIGO）和VIRGO共同宣布。LIGO科学团队（英语：LIGO Scientific Collaboration）亦于2016年6月15日宣布人类第二次直接探测到的引力波，该次探测时间为2015年12月26日，这再度展示了双黑洞系统的存在。

超重双黑洞系统被认为是星系并合（英语：Galaxy merger）所造成的。一些可能的候选双黑洞系统是有着双核的星系，而二核之间距离仍远。其中一个例子是NGC 6240。二黑洞之间相距更靠近的系统则可能出现在有着双放射谱线的单核星系，例如SDSS J104807.74+005543.5和EGSD2 J142033.66 525917.5。其他具备周期性辐射的星系核则暗示著有巨型物体绕着中央黑洞旋转，例如OJ287。而脉冲星PG 1302-102则看似具有一个公转周期1900天的双黑洞。

2015年8月28日，NASA公布中国中科院国家天文台研究人员陆由俊等人组成的研究团队，使用哈勃太空望远镜发现马卡良231星系中的双黑洞系统。他们利用该星系中心放射出的紫外线特性，推断出该处有双黑洞系统的存在。其中主黑洞质量约为太阳的1.5亿倍，伴黑洞质量则约为太阳的4百万倍，其公转周期约为1.2年。该伴黑洞被认为是原先被并入马卡良231的小星系残骸，该次星系合并并使马卡良231的恒星形成速率比银河系还要快上100倍。马卡良231距离我们约有6亿光年之远。

星系中央的二个超大质量黑洞自然距离大约落在一至数十个秒差距之间，而这使二黑洞形成一个束缚的双黑洞系统。若要使其产生的引力波达到足够显著，则其间距必须缩小到更小的尺度，大约是0.01至0.001个秒差距之间。这被称作最终秒差距问题。有数个解决最终秒差距问题的可能解答被提出，其中大多包含超重双黑洞与周围物质的相互作用，他们可以从双黑洞系统获取能量并使其收缩。举例来说，路过恒星的重力助推效应可以让二个黑洞在比宇宙年龄还短许多的时间之内更为靠近。