Die Warteschlangentheorie (auch Theorie der Wartesysteme) ist ein Teilgebiet der Wahrscheinlichkeitstheorie und ein Beispiel für Angewandte Mathematik. Sie findet unter anderem im Operations Research (Optimierung bestimmter Prozesse und Verfahren) Verwendung.

Angewandt wird die Warteschlangentheorie in der Produktion und Logistik, dort wo Warteschlangen entstehen können. Einheiten warten auf die Abfertigung von parallel arbeitenden Bedieneinheiten wie bspw. an Flughäfen, wo Flugzeuge in definierte Warteschleifen dirigiert werden.