Valsbaai (Engels: False Bay, Afrikaans: Valsbaai) is een baai met een lengte van zo'n 48 kilometer in de buurt van Kaapstad,
met het Kaapse schiereiland aan de westelijke kant en de Hottentots Hollandbergen aan de oostkant.
Onder de eerste Portugese zeevaarders heeft de Valsbaai als Golfo Dentro das Sierras of Baai tussen de bergen bekendgestaan. Vele schepen die terugkeerden uit het Verre Oosten, zagen Kaap Hangklip aan de oostelijke kant van de baai aan als Kaap de Goede Hoop en voeren dus de 'valse baai' binnen. Gevolglijk krijgt Kaap Hangklip vaak de Portugese naam Cabo Falso ('Valse Kaap').
Dankzij de Agulhasstroom die daar stroomt, heeft het water in de baai een gematigde temperatuur. Vele schilderachtige vissersdorpjes en vakantieoorden zijn in de jaren naast de kustlijn van de Valsbaai ontstaan. Bekende voorbeelden zijn Vishoek, Muizenberg, Strand en Gordonsbaai.