En voldgrav er en dyb og bred udgravning rundt om en befæstning. Voldgraven kan være tør eller fyldt med vand.

Voldgrave finder man rundt om fæstninger, bygninger eller byer. Historisk set er en voldgrav et forsvarsværk. Nogle af de mest berømte voldgrave i Danmark finder man i København, på Egeskov og Vordingborg slotte.

Arkæologisk kan voldgrave være meget interesssante, da fund herfra er med til at sætte billede på, hvordan voldgrave har været brugt til ikke kun defensive formål.

I forsvars øjemed var der ofte en vindebro hen over voldgraven.