הציר האופטי הוא קו דמיוני המגדיר את הכיוון בו מתקדם האור במערכת האופטית. במערכות המורכבות מעדשות ומראות פשוטות, נוח להגדיר ציר עובר דרך מרכז העיקום של כל אחד ממשטחי הגבול של העדשה או המראה, והוא מתלכד עם ציר הסיבוב של כל אחת מהן. במקרה כזה הציר נחשב ציר אופטי ראשי. במקרים מיוחדים, כמו עבור אלומות אור המגיעות לעדשה או למראה שלא בכיוון ציר הסימטריה שלהן, כיוון התקדמותן יוגדר כציר אופטי משני.
במקרה של סיב אופטי, הציר האופטי איננו בהכרח קו ישר, אלא מוגדר לאורך מרכז ליבתו של הסיב, והוא מכונה ציר הסיב.
במכשירים אופטיים רבים, כדוגמת מיקרוסקופ וטלסקופ יש לכוונן את הרכיבים האופטיים השונים כך שהציר האופטי של כולם יתלכד. פעולת הכוונון קרויה קוֹלימַציה ומכשיר עזר לשם כך קרוי קוֹלימַטור.
