Uma falha catastrófica é um fracasso repentino e total, do qual a recuperação é impossível. Falhas catastróficas, muitas vezes, levam a uma falha em cascata de sistemas. O termo é mais comumente usado para falhas estruturais, mas muitas vezes tem sido estendido a muitas outras disciplinas das quais a perda total e irrecuperável ocorre. Tais falhas são investigadas através de métodos de engenharia forense, que tem como objetivo isolar a causa ou causas da falha.

Por exemplo, uma falha catastrófica pode ser observada em uma falha no rotor de turbina a vapor, que pode ocorrer devido ao pico de estresse no rotor; a tensão concentrada aumenta até um ponto em que ela é excessiva, culminando em uma falha do disco.

Em armas de fogo, uma falha catastrófica geralmente refere-se a uma ruptura ou a desintegração do cano da arma ao atirar. Algumas possíveis causas disso são o uso incorreto de munições, o uso de munições com uma carga incorreta de propelente, cano parcialmente ou totalmente obstruído, ou o enfraquecimento do metal do cano. Uma falha deste tipo, conhecida coloquialmente como "kaboom", ou falha "kB", pode representar uma ameaça não apenas para o usuário, mas até mesmo para as pessoas ao redor.

Em engenharia química, um disparo térmico pode causar uma falha catastrófica.