Adını Alman matematikçi Felix Klein'dan alan Klein şişesi; tek taraflı, yönlendirilemeyen bir yüzeyi temsil eden matematiksel bir kavramdır. "Yönlendirilemeyen" sözcüğünden kasıt, şişenin yüzeyinin bir "iç" veya "dış" yüzey olarak tanımlanamayacağıdır.
Bir diğer deyişle Klein şişesi, içi ve dışı belli olmayan kapalı bir yüzeydir ve tek taraflı, kendi üzerine kıvrılmış bir yüzey olarak düşünülebilir. Aynı zamanda kendi kendine kesişmeler olmadan üç boyutlu Öklid uzayına gömülemeyecek kapalı bir yüzey olarak da açıklanabilir. Yani bir Klein şişesinin fiziksel bir modelini oluşturmaya çalışıyorsak kendi kendine kesişmelerden kaçınmak için esnek bir malzeme kullanmamız gerekir. Klein Şişesi'ni daha iyi anlamak için Möbius Şeridi'ni kavramak önemlidir.