Η μεταμόσχευση κεφαλής είναι μια διαδικασία κατά την οποία το κεφάλι ενός ατόμου κόβεται και τοποθετείται σε άλλο σώμα. Δεν πρέπει να συγχέεται με τη μεταμόσχευση εγκεφάλου, μια υποθετική διαδικασία κατά την οποία ένας εγκέφαλος μεταφέρεται από το κρανίο ενός ατόμου στο άλλο. Από το πρώτο μέρος του 21ου αιώνα, αυτή η μορφή χειρουργικής μεταμόσχευσης δεν έχει πραγματοποιηθεί ποτέ σε ανθρώπους. Οι μεταμοσχεύσεις κεφαλής σε ζώα ήταν, σε κάποιο βαθμό, επιτυχείς.
Η πρώτη απόπειρα μεταμόσχευσης κεφαλής σε ζώα πραγματοποιήθηκε τον Μάιο του 1908 από τον Τσαρλς Γκάθρι από τις Ηνωμένες Πολιτείες. Ο Γκάθρι μπόλιασε το κεφάλι ενός κουταβιού στο πλάι του λαιμού ενός ενηλίκου σκύλου. Οι αρτηρίες στο λαιμό και το κεφάλι του κουταβιού εμβολιάστηκαν σε αυτές του ενήλικου σκύλου, έτσι ώστε το αίμα να ρέει με επιτυχία και από τα δύο κεφάλια. Ενώ καταγράφηκαν κάποιες κινήσεις και αντανακλαστικά της δεύτερης κεφαλής, είχε περάσει πολύς χρόνος μεταξύ του αποκεφαλισμού του κεφαλιού και της αποκατάστασης της κυκλοφορίας για να λειτουργήσει σωστά ο εγκέφαλος της δεύτερης κεφαλής.
Άλλες, πιο επιτυχημένες, μεταμοσχεύσεις κεφαλής πραγματοποιήθηκαν σε ζώα τα επόμενα χρόνια. Στις αρχές της δεκαετίας του 1950, ο Βλαντιμίρ Ντεμίκοφ της Σοβιετικής Ένωσης ανέπτυξε μια μέθοδο για να μειώσει τον χρόνο που το κομμένο κεφάλι στερούνταν οξυγόνου μέσω της χρήσης «ραπτομηχανών αιμοφόρων αγγείων». Τα πειράματα που ακολούθησαν περιελάμβαναν τόσο μια μεταμόσχευση κεφαλιού ενός σκύλου από επιστήμονες στην Κίνα το 1959, όσο και μια εξαιρετικά αμφιλεγόμενη μεταμόσχευση κεφαλιού ενός πιθήκου που έγινε το 1963 από μια ομάδα ερευνητών στο Κλίβελαντ του Οχάιο. Αυτή η μεταμόσχευση κεφαλιού ήταν κάπως επιτυχημένη καθώς ο πίθηκος διατήρησε τις αισθήσεις όσφρησης, γεύσης, ακοής και όρασης. Περαιτέρω μεταμοσχεύσεις κεφαλιού με αρουραίους έχουν επίσης συμβεί στην Ιαπωνία.
Η μεταμόσχευση ανθρώπινου κεφαλιού θα απαιτούσε εξαιρετικά προηγμένη τεχνολογία που θα περιλαμβάνει ψύξη του εγκεφάλου της δευτερεύουσας κεφαλής σε σημείο που να σταματήσει κάθε νευρολογική δραστηριότητα. Αυτό θα ήταν απαραίτητο προκειμένου να αποφευχθεί ο θάνατος των νευρώνων στον εγκέφαλο. Οι τεχνολογικές εξελίξεις δεν έχουν καταστήσει ακόμη δυνατή την επιτυχή μεταμόσχευση ενός αποκολλημένου νωτιαίου μυελού. Έτσι, το υποκείμενο μιας μεταμόσχευσης κεφαλής δεν θα είχε χρήση των άκρων του σώματος και θα ήταν τετραπληγικό. Έχει προταθεί ότι αυτή η χειρουργική διαδικασία θα μπορούσε να είναι ευεργετική για άτομα που πάσχουν από πολλαπλές οργανικές ανεπάρκειες και είναι ήδη τετραπληγικά ή θα προτιμούσαν να ζήσουν μια ζωή χωρίς τη χρήση άκρων.