Synchrotronstraling is de straling die vrijkomt in het middenvlak (equatoriale vlak) van een synchrotron. De fotonen worden uitgestraald in de bewegingsrichting van de elementaire deeltjes (meestal elektronen) in het synchrotron, en komen langs de raaklijn (tangentieel) aan de ring naar buiten. Volgens de wetten van Maxwell moeten elektrisch geladen deeltjes die afgebogen worden, elektromagnetische golven uitzenden.
Aanvankelijk werd synchrotronstraling gezien als een uitsluitend parasitair effect, dat het moeilijk maakt om deeltjes tot bij de lichtsnelheid te versnellen omdat energie verloren gaat als straling. Later werden speciaal synchrotrons gebouwd om dit effect te gebruiken als bron van deze felle straling met een breed spectrum en die verder gepulst en gepolariseerd is. Een toepassing is de structuurbepaling van kristallen - bijvoorbeeld van eiwitten - met röntgenstraling.
Synchrotronstraling treedt behalve in synchrotrons ook op in sterke magneetvelden in het heelal, bijvoorbeeld bij de zon, de Krabnevel, gamma-ray bursts en in de stralingsgordel van Jupiter, waar het radiostraling produceert.
Synchrotronstraling is ook het principe van de vrije-elektronenlaser (free electron laser).