Pelykozaury (Pelycosauria) – parafiletyczna grupa synapsydów (gadów ssakokształtnych), które pojawiły się w późnym karbonie i osiągnęły szczyt rozwoju we wczesnym permie. W zapisie kopalnym znane do środkowego permu.
Tradycyjnie pojmowane pelykozaury obejmowały wszystkie synapsydy nienależące do terapsydów (w tym do ssaków). Jednak terapsydy są potomkami tak definiowanych pelykozaurów, które – nie obejmując terapsydów – stawały się grupą parafiletyczną. Z tego powodu obecnie generalnie nie wyróżnia się tej grupy. Tradycyjnie pojmowane pelykozaury wchodzą w skład dwóch siostrzanych kladów synapsydów: Caseasauria, obejmującego rodziny Caseidae i Eothyrididae, oraz Eupelycosauria, obejmującego nie tylko wszystkie pozostałe pelykozaury (m.in. rodzaje Dimetrodon, Edaphosaurus, Ophiacodon czy Varanops), ale i wszystkie terapsydy (w tym ssaki).
Pelykozaury cechowały się masywną budową ciała, nie osiągały jednak szczególnie dużych rozmiarów – największe gatunki niewiele przekraczały 3 metry długości.