Atnsjøen er en innsjø i Stor-Elvdal og Sør-Fron kommuner i Innlandet. Atnsjøen ligger oppunder Rondane. Innsjøen er langstrakt; lengden er 9 km, største bredde er 0,8 km. Sjøarealet er 4,8 km2, 701 moh. og største dyp er 80 m. Atnsjøen har avløp gjennom Atna til Glomma.
Atnsjøen er en typisk fjordsjø som fyller et dypt dalbekken fra siste istid, skåret ned i en eldre og videre dal. Breddene er skogkledde myrer med furu. Det ligger hytter og enkelte gårder langs nord- og østbredden. Nordvest for Atnsjøen ligger Atnsjømyrene naturreservat.
Harald Sohlbergs bilde Vinternatt i Rondane (1914) er malt i Atnsjøtraktene.