Sonata wiolonczelowa to utwór muzyczny na wiolonczelę solo z akompaniamentem w trzech lub czterech częściach. Akompaniament jest zwykle na fortepianie, chociaż wcześniejsza muzyka wykorzystywała continuo. Sonata zwykle rozpoczyna się ruchem allegro, kontynuuje wolniejszym i kończy się innym szybkim ruchem, np. rondem. Jeśli sonata wiolonczelowa składa się z czterech części, trzecia może być menuetem. Część pierwsza może mieć formę sonatową — przybierającą strukturę ekspozycji, rozwinięcia i rekapitulacji — choć forma ta niekoniecznie jest stosowana.
Wiolonczela to instrument z rodziny skrzypiec, którego cztery struny są nastrojone w kwintach. Jest to największy, obok kontrabasu, instrument smyczkowy używany we współczesnej orkiestrze. Niższy ton wiolonczeli w porównaniu do skrzypiec nadaje jej charakterystyczne brzmienie jako instrumentowi solo, który jest uważany za bardziej zbliżony do ludzkiego męskiego głosu. Sonaty wiolonczelowe z akompaniamentem fortepianu są uważane za trudne technicznie do napisania ze względu na wyzwanie, jakim jest połączenie niskiego tonu wiolonczeli z basowymi nutami fortepianu.
Najwcześniejsze sonaty wiolonczelowe zostały napisane przez kompozytorów takich jak Antonio Vivaldi. Później sonatę wiolonczelową zgłębiali także Ludwig van Beethoven i Johannes Brahms. Przykładami sonat wiolonczelowych z XX wieku są te autorstwa Edvarda Griega, Samuela Barbera i Benjamina Brittena. Wiolonczela jest preferowana jako instrument solowy ze względu na piękno jej brzmienia, a kompozytorzy napisali utwory na ten instrument pomimo stawianych wyzwań. Fryderyk Chopin poświęcił wiele czasu na swoją sonatę wiolonczelową i mimo muzycznego doświadczenia podobno tyle samo czasu poświęcał na usuwanie fragmentów, co na dodawanie nowych fragmentów.
Styl i ton sonat wiolonczelowych zmieniał się w zależności od okresu i podejścia kompozytora do każdego utworu. Vivaldi pisał sonaty wiolonczelowe w stylu barokowym z dużym continuo. Używał ich do wyrażania przemyślanego stylu, tworząc kontemplacyjne ruchy otwierające, w przeciwieństwie do większości jego pisarstwa na inne instrumenty. Sonata wiolonczelowa g-moll Siergieja Rachmaninowa utrzymana jest w stylu epoki romantyzmu, w której wiolonczeli i fortepianie kładzie on równą wagę. W późniejszym okresie XX wieku sonata wiolonczelowa Siergieja Prokofiewa była raczej pogodniejsza w tonie, pokazując, że dźwięk wiolonczeli może oznaczać coś więcej niż zadumę i tragedię.