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Un couple de chromosomes homologues est une association de deux chromosomes (dits homologues) dans une cellule durant la méiose. Plus précisément, cette association se fait en prophase I de méiose et se termine en anaphase I, où les chromosomes homologues se séparent. Ces deux chromosomes sont dits homologues puisqu'ils se ressemblent énormément : ils font la même taille et possèdent les mêmes gènes aux exactes mêmes positions (aux mêmes loci). En revanche, ces gènes peuvent être hétérozygotes (allèles différents) puisque ces deux chromosomes ont une histoire de vie différente : l'un provient de la mère de l'organisme concerné (chromosome maternel), l'autre du père de l'organisme concerné (chromosome paternel) et ont donc pu subir des mutations différentes sur de mêmes gènes faisant d'eux des allèles différents. Les chromosomes homologues concernent donc des organismes diploides à reproduction sexuée comme l'humain.
La prise en compte des paires de chromosomes homologues est une des bases pour les lois de Mendel qui caractérisent les modèles de transmission de matériel génétique d'un organisme à sa progéniture, il s'agit aussi d'une base fondamentale pour la compréhension de l'expression génétique avec des allèles dominants et récessifs.
Une paire de chromosomes homologues forme un bivalent.