تبعثر رايلي هو أحد أنواع التبعثر سمي على اسم الفيزيائي البريطاني جون وليم رايلي وهو تبعثر مرن للضوء أو أي أشعة كهرومغناطيسية أخرى يتبعثر نتيجة تأثير جسيمات أصغر من الطول الموجي للضوء. يمكن أن تكون هذه الجسيمات إما ذرات مستقلة أو جزيئات. يمكن أن يحدث هذا التبعثر عند انتقال الضوء في وسط شفاف صلب أو سائل، لكن أغلب حالات يحدث في الغازات. تبعثر رايلي هو تابع قابلية الاستقطاب الكهربائية للجسيمات.
يتسبب تبعثر رايلي لضوء الشمس في الغلاف الجوي ظاهرة النشر الإشعاعي للسماء، وهو السبب الرئيسي للون الأزرق للسماء واللون المصفر للشمس.
يتم حساب التبعثر الناتج عن جسيمات أكبر قليلاً أو مساوية للطول الموجي عن طريق نظرية ماي.