大腸桿菌（學名：Escherichia coli，通常簡寫爲E. coli）)是生活在溫血動物（包括鳥類和哺乳動物）大腸中的重要細菌種類，對食物正常消化具有重要作用。地下水中大腸桿菌的存在標誌糞便污染。其屬名埃希氏菌（Escherichia）來源於其發現者Theodor Escherich。大腸桿菌是腸桿菌科的一員，經常作爲細菌的模式生物廣泛用於科學研究。
每個人每天平均從糞便中排出10的11次方，到10的13次方個大腸桿菌。各種糞便細菌和類似的生活在土壤或植物降解物中的細菌（最常見的是產氣腸桿菌，學名Enterobacter aerogenes）一起被歸爲「大腸菌群」。技術上，大腸菌群被定義爲所有好氧或兼性好氧，不形成孢子，革蘭氏陰性，可利用乳糖在48小時內35℃之下產生氣體（在體內，這些氣體以屁的形式排出）的桿菌。
在水淨化和污水處理領域，大腸桿菌很早就被選作水污染程度的指示性物種，標誌著有多少人類糞便存在於水中，其測量標準爲大腸菌群指數。利用大腸桿菌作爲標準的主要理由在於人糞便中大腸菌群的數目遠高於致病菌（如可引起傷寒的傷寒桿菌，學名Salmonella typhi），此外大腸桿菌多數情況下無害，不會從實驗室「逃脫」而傷害人類。利用大腸桿菌作爲糞便污染的指示物也可能產生誤導性的結論，因爲其它環境如造紙廠中，大腸桿菌也可大量存在。
然而一般無害的大腸桿菌在以下三種情況下也會導致疾病：
1. 當細菌離開腸道進入泌尿道可以導致感染，由於交往會導致細菌進入膀胱，有時被稱作「蜜月膀胱炎」。儘管對於女性更爲普遍，尿路感染在兩性都可能發生。老年中發病男女比例大體相同。因爲細菌總是通過尿道進入泌尿系統，廁所的不衛生會增大感染機率，但其它因素也很重要（如女性懷孕，男性前列腺肥大），還有一些原因不明。
2. 當細菌由於如潰瘍等導致的穿孔進入腹腔，通常會導致致命性的腹膜炎感染）。然而，大腸桿菌對一些抗生素，如鏈黴素非常敏感，一般情況抗生素能夠有效治療。
3. 大腸桿菌的某些株具有毒性（其中一些類似導致痢疾的毒素），可以導致食物中毒，這通常是因爲使用了被污染的肉類（通常是屠宰過程或儲藏販賣過程中的污染所致）。疾病的嚴重程度可以相差很多，尤其對兒童、老人和免疫缺失病人可以是致命的，但通常是溫和的。大腸桿菌的內毒素可能對熱穩定或不穩定。後者的結構和功能與霍亂毒素相當接近，全毒素包含一個A亞基和五個B亞基。B亞基起黏附作用，使毒素進入腸道細胞，而A亞基斷裂出來，使得細胞脫水引起腹瀉。