衡阳盆地（汉语拼音：Hengyang Pendi；英语：Hengyang Basin），中国江南地区具有地域特点的红层盆地。位于湖南中东部，南岳衡山之南，属湘江中下游转折地带。盆地自西南至东北长约108.5千米，西北至东南约77千米。面积6,000多平方千米，南抵阳明山及大义山北侧，北迄衡山南麓，东西界于荆紫山与大云山地之间，地势周高中低，并自西南向东北倾斜，因中部条状山丘呈断续纵向楔入，盆地平面形似彩蝶。

盆地处于新华夏系第二沉降带南段，略呈北北东向展布，为中生代末期形成的内陆断拗湖盆，堆积一套白垩系–古近系由碎屑岩、泥岩、化学岩所组成的红色岩层，以固结度差、混积性强、厚度变化大为特点。自边缘向内并从南往北物质粒度变细，盆地中部石牛峰呈南北向条形孤岛状突起，将盆地分隔成东、西两部，使之各有一沉降中心。盆地从晚三叠世到古近纪末期，经历约2亿年发展史，后受喜马拉雅运动影响而和缓抬升，经长期风化与流水侵蚀，多形成海拔150～200米，比高60～100米的波状丘陵地貌，周围为海拔300～400米，以至500～1,000米以上由各类古老岩层及花岗岩体组成的断续岭脊所环绕。湘江蜿蜒斜贯全境，先后接纳宜水、舂陵水、耒水、洣水、归阳河、蒸水等，构成不对称的辐聚式羽状水系，年平均汇入径流总量447.75亿立方米。

盆地位于凹形朝北倾斜开口的轴带囊状部分，属中亚热带季风气候，冬冷夏热、干湿交替的气候特征。年平均气温17.5～18.1℃。平均年降水量1,200～1,400毫米，春夏季占全年的70%左右。区内广泛发育红壤，非地带性的紫色土12万多公顷，其中石灰性紫色土占72%；沿河洲滩及冲谷地带多分布冲积土和水稻土。由于红层岩性软弱，久经风化，又因植被遭受破坏，水土流失严重。

矿产资源有岩盐、硬石膏、钙芒硝、铜矿、硼、煤、锰、重晶石、瓷泥、铅、锌等。农产以稻米为大宗，兼有豆类、麦类和油菜子等；养殖业和园艺业较发达，产鱼、柑橘、甜橙、枣、莲、藕等。油茶面积分布较广。盆地内水陆交通发达，有京广、湘桂铁路及多条公路通过。湘江流域工农业较发达，物资流通方便。