Ο θεοδόλιθος είναι μια συσκευή μέτρησης οριζόντιων και κάθετων γωνιών. Ο παραδοσιακός θεοδόλιθος αποτελείται από ένα όργανο παρατήρησης που μπορεί να περιστραφεί οριζόντια και κάθετα, και δύο βαθμονομημένες κυκλικές πλάκες, τοποθετημένες έτσι ώστε να μετρούν την ποσότητα της οριζόντιας ή κάθετης περιστροφής σε μοίρες. Στρέφοντας το όργανο παρατήρησης, το οποίο μπορεί να είναι ένα τηλεσκόπιο, προς ένα αντικείμενο, είναι δυνατό να μετρηθούν οι οριζόντιες και κάθετες γωνίες του σε σχέση με κατάλληλα σημεία αναφοράς. Κανονικά, αυτά θα ήταν αληθινά βόρεια για οριζόντιες γωνίες και ο ορίζοντας για κάθετες γωνίες. Οι θεοδόλιθοι έχουν χρησιμοποιηθεί στη ναυσιπλοΐα και την αστρονομία και σήμερα χρησιμοποιούνται συχνότερα στην τοπογραφία — είτε για οικοδομές και κατασκευές είτε σε γεωγραφικές έρευνες.
Όταν χρησιμοποιείται για γεωγραφική αποτύπωση, ένας θεοδόλιθος μπορεί να βοηθήσει στον προσδιορισμό της απόστασης και του ύψους ενός στοιχείου, για παράδειγμα ενός λόφου ή ενός βουνού. Μετρώντας την οριζόντια γωνία, σε σχέση με τον πραγματικό βορρά, του χαρακτηριστικού από δύο διαφορετικές θέσεις σε μια γνωστή απόσταση μεταξύ τους, η απόσταση μπορεί να υπολογιστεί με τριγωνομετρία. Μόλις γίνει γνωστή η απόσταση, το ύψος μπορεί να προσδιοριστεί με τον ίδιο τρόπο μετρώντας την κατακόρυφη γωνία του χαρακτηριστικού σε σχέση με τον ορίζοντα.
Είναι δύσκολο να προσδιοριστεί επακριβώς η ημερομηνία κατασκευής του πρώτου θεοδόλιθου, καθώς σε όλη την ιστορία έχουν εισαχθεί μια ποικιλία συσκευών που φέρουν διάφορους βαθμούς ομοιότητας με έναν σύγχρονο θεοδόλιθο. Η παλαιότερη καταγραφή μιας συσκευής αυτού του τύπου χρονολογείται γύρω στο 150 π.Χ. στην αρχαία Ελλάδα. ονομαζόταν διόπτρα και είχε δύο μεταλλικές πλάκες που μπορούσαν να περιστραφούν οριζόντια και κάθετα, μαζί με μια μέθοδο ισοπέδωσης που περιελάμβανε σωλήνες που περιείχαν νερό. Χρησιμοποιήθηκε για αστρονομικές παρατηρήσεις. Ο όρος «θεοδόλιθος» εμφανίστηκε για πρώτη φορά το 1571 όταν ο Άγγλος μαθηματικός Leonard Digges περιέγραψε ένα όργανο για τη μέτρηση των γωνιών που ονομάζεται «theoloditus». Ωστόσο, φαίνεται ότι μέτρησε μόνο οριζόντιες γωνίες. Το 1653, ο William Leybourn, ένας Άγγλος τοπογράφος και συγγραφέας, παρείχε μια λεπτομερή περιγραφή ενός θεοδόλιθου που μπορούσε να μετρήσει τις γωνίες τόσο οριζόντια όσο και κάθετα και ενσωμάτωσε μια πυξίδα καθώς και ένα θέαμα.
Οι σύγχρονοι θεοδόλιοι λειτουργούν με τις ίδιες αρχές με τους προκατόχους τους, αλλά με βελτιώσεις στην ακρίβεια και τη φορητότητα. Έχουν τηλεσκοπικά σκοπευτικά και μπορούν να μετρήσουν γωνίες με ακρίβεια έως και ένα δέκατο του δευτερολέπτου τόξου. Ένας ηλεκτρονικός θεοδόλιθος συχνά ενσωματώνει μια συσκευή υπέρυθρης ακτινοβολίας για τη μέτρηση αποστάσεων και μπορεί να έχει επεξεργαστή και λογισμικό για να πραγματοποιεί υπολογισμούς και να αποθηκεύει τα αποτελέσματα εσωτερικά ή να τα κατεβάζει σε φορητό υπολογιστή ή υπολογιστή. Αυτός ο τύπος συστήματος ονομάζεται μερικές φορές «συνολικός σταθμός».