תותח טנק (בפשטות תותח ובאנגליתMain Gun) הוא החימוש העיקרי של הטנק. מדובר בכלי ירייהכבד (תותח) המשמש לירי כדורי טנק ("פגזים") בכינון ישיר. תותחי טנק מודרניים הם בעלי קליבר גדול: קוטרם נע בין 75 ל-125 מילימטר (בעבר היו תותחים בעלי קוטר קטן יותר) ואורכם מספר מטרים. מטרת הקליבר הגדול היא להשיג מהירות לוע גדולה שתעניק לפגז, ובעיקר פגז מסוג חודר-שריון קינטי, אנרגיה קינטית גדולה מספיק כדי לחדור את השריון של מטרתו, בדרך כלל טנק אחר. בנוסף לפגזים מסוגים שונים, חלק מתותחי הטנקים מסוגלים לירות/לשגר גם טילים נגד טנקים.
בתור החימוש העיקרי של הטנק, כמעט תמיד התותח מבצע ירי בכינון ישיר כנגד מגוון מטרות קרקעיות מכל הסוגים כולל חיל רגלים מחופר, מבנים, רכבי שטח ממוגנים ונגמ"שים קלים, רכב קרבי משוריין וטנקים אחרים. הדרישות מתותח טנק מודרני הן דיוק, טווח ירי גדול (בדרך כלל מספר קילומטרים) ואפשרות לקצב אש גבוה. מנגד, התותח צריך להיות עמיד אך קל וקומפקטי כדי שיהיה ניתן לתפעלו מתוך הצריח הצפוף. התותח מופעל על ידי התותחן באמצעות מערכת בקרת אש (בק"ש) המאפשרת ביצוע ירי מדויק על ידי שימוש במחשב בליסטי ומדידות תנאי מזג האוויר המשפיעים על הירי והמסלול הבליסטי של הפגז. בטנקים המודרניים את המחשב הבליסטי מחליפה מערכת דיגיטלית מתקדמת המאפשרת גם עקיבה ונעילה על מטרות ובעת הירי לוקחת בחשבון את הטווח ותנאי הסביבה. רוב מערכות הבק"ש כוללות גם ייצוב של התותח, דבר המאפשר ירי בתנועה. במערכות המתקדמות, כגון ברק זוהר הישראלית, ישנן יכולות מתקדמות כגון למידת מכונה, נעילה ועקיבה, והפעלת תחמושת מתקדמת. מערכת הבק"ש של המרכבה סימן 4 מאפשרת פגיעה במטרה בתנועה כולל כלי טיס מנמיכי טוס.
מערכות עזר נוספת כוללות בלם לוע, שרוול תרמי, מפנה גזים, מייצבים[1] ובחלק מהטנקים טען אוטומטי.
תותח הטנק נמצא בחלק הקדמי של צריח הטנק המשוריין ומותקן על גבי צירים המאפשרים תנועה במישור האנכי (עלרוד) כשאת התנועה במישור האופקי (צידוד) מבצע הצריח. התותחים נחלקים לחלקי-קנה (חלק-קדח, Smoothbore) וחרוקי-קנה (Rifled). בסוג השני, גורמים הסלילים בתוך קדח הקנה לפגז להסתובב סביב צירו ובכך מוסיפים לדיוק ולטווח. התותחים חרוקי-הקנה נשחקים מהר יותר ויעילותם בשילוב עם תחמושת מודרנית נמוכה יותר. לכן מצוידים בימינו רוב הטנקים בתותח חלק-קדח ורק לאחרונה הפסיקו הבריטים לייצר טנקים חמושים בתותחים חרוקי קנה ועברו לתותחים גרמניים חלקי קנה. הפגזים הנורים מתותחים חלקי-קדח הפגזים כוללים סנפירים כדי לייצב את מעופם ובכך מגדילים את הדיוק והטווח. חלק מתותחי הטנקים, בעיקר אלו של מדינות הגוש הסובייטי לשעבר וגרורותיו, מסוגלים לירות טילי נ"ט.
תותחים רבים כוללים מפנה גזים (הנראה כמעין בליטה גלילית באמצע התותח) על-מנת לאפשר פיזור בטוח של הגזים הנפלטים בעת הירי, ומניעת חדירת גזים רעילים אלו לתוך הצריח. בנוסף, כמעט כל התותחים המודרניים עטופים בשרוול תרמי - התקן מכני שמטרתו לדאוג שטמפרטורת התותח תהיה אחידה וקבועה על-מנת למנוע עיוותים בקנה עקב התחממות או התקררות עקב הסביבה החיצונית והפרשי טמפרטורות בין חלקי הקנה.[2]
