Cietumnieka dilemma ir viena no spēļu teorijas spēlēm, kad, atkarībā no izvēles, spēlētājs ("cietumnieks") kaut ko iegūst vai zaudē. Šādās situācijās spēlētājam ir jāizvēlas, ko darīt, lai iegūtu sev vēlamo. Neatkarīgi no izvēles, kāds cits (vai arī tomēr pats spēlētājs) kaut ko zaudēs. Šajā spēlē nevar būt tā, ka kāds no spēlētājiem neko nezaudē. Dažreiz gadās arī tā, ka, spēlējot atsevišķi, abi spēlētāji zaudē nekā tas būtu, ja tie savus spēkus būtu apvienojuši. Piemēram, politikā cietumnieka dilemma izpaužas kā divu vai vairāku valstu bruņošanās sacensības.

Diviem cietumniekiem ir jāsadarbojas, lai samazinātu cietumsodu, vai arī viens no viņiem nodod otru, cerībā, ka viņam saīsinās cietumsoda termiņu.