Локомотивное депо Полтава — структурное подразделение службы локомотивного хозяйства объединения Южной железной дороги. Депо находится в Полтаве вблизи станции Полтава-Южная.

Датой основания локомотивного депо считается 1870 год — год открытия движения по железнодорожной линии Кременчуг — Полтава. На станции Полтава были построены два производственных цеха: небольшой каменный на 9 паровозов и деревянный на 8 паровозов.

В 1871 году цеха вошли в состав паровозоремонтный мастерских, которые впоследствии стали Полтавским паровозоремонтный заводом, а локомотивное депо было перенесено чуть севернее в сторону Харькова.

В начале XX века здесь эксплуатировались паровозы серии Б. Перед Второй мировой войной в депо Полтава эксплуатировались пассажирские, товарные и маневровые паровозы серий М, Е, СО17, ФД, С. В послевоенные годы здесь была внедрена тепловозная тяга. В 1961 году в депо поступили первые тепловозы ТЭП10Л, маневровые ТГМ3. В 1970-е поступали пассажирские тепловозы ТЭП10 и грузовые 2ТЭ10Л. Позднее депо эксплуатировало тепловозы серий 2ТЭ10М, ТЭП60, ТЭП70, 2ТЭ116, ЧМЭ3, дизель-поезда ДР1П.

Депо производит техническое обслуживание тепловоз из других депо Южной железной дороги. После электрификации станции Полтава железной освоено обслуживания электропоездов переменного тока ЭР9. В депо осуществляют капитальный ремонт дизель-поездов ДР1А, выполняют текущий ремонт тепловозов 2ТЭ116, ТЭП70 и ЧМЭ3, а также обслуживают и ремонтируют ТЭМ2, ТГМ4, ТГМ40, работающих на промышленных предприятиях Полтавы.

В 2005 году в депо была освоена эксплуатация рельсовых автобусов 620М.

В мае 2009 года в локомотивном депо Полтава появился первый электровоз собственной приписки: ВЛ80Т-1030 , который был передан в Полтаву из депо Знаменка Одесской железной дороги. Позднее в депо поступили ещё четыре ВЛ80Т из Знаменки.