הנדסת חומרים (מכונה גם מדע החומרים ותורת החומרים) היא תחום מחקר הנדסי המאתר וממציא את החומרים המיטביים להרכבת מוצרים. התחום מתמקד בשיפור וחקר תכונות חומרי מבנה והתאמת תכונות חומר המבנה לצרכים התעשייתים, תוך שכלול הגורמים השונים כגון תנאי סביבה, עבודה, עלויות. העיסוק בתחום דורש התמצאות בעיקר בענפי פיזיקה וכימיה מגוונים, אך יש לו נגיעה גם בכלכלה וברפואה (למשל איתור חומרים שאינם רעילים, אינם רדיואקטיבים או שאינם מגרים תגובה חיסונית).
הנדסת חומרים מתמקדת בתיכּוּן חומרים, טכניקות עיבוד (יציקה, כבישה, ריתוך, גידול גבישים וכו'), טכניקות אנליטיות (כגון מיקרוסקופיה אלקטרונית, עקיפת קרני x וקלורימטריה) ויחסי גומלין בין עלות לתועלת בייצור תעשייתי של חומרים.
הנדסת חומרים היא אחת מהצורות העתיקות ביותר של מדע ישומי והנדסה. תקופות קדומות מאופיינות בחומר אשר שימש באותה התקופה, כגון תקופת האבן, תקופת הברונזה ותקופת הברזל. הנדסת החומרים המודרנית התפתחה באופן ישיר מהמטלורגיה, שהיא חקר המתכות. פריצת הדרך בהבנת חומרים התרחשה בסוף המאה ה-19, כאשר המדען האמריקאי