Локомотивное депо Полтава — структурное подразделение службы локомотивного хозяйства 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. Первая поездка состоялась в январе 1961 года на тепловозе ТЭ3-459. В 1970-е поступали пассажирские тепловозы ТЭП10 и грузовые 2ТЭ10Л. Позднее депо эксплуатировало тепловозы серий ТЭП60, ТЭП70, 2ТЭ116, ЧМЭ3, дизель-поезда ДР1П.
 В 80-е гг. тепловозы ТЭ3 и 2ТЭ10Л заменяются на 2ТЭ116, ТЭП10 ставятся в запас и идут на списание. Дизель-поезда ДР1П заменяют новыми ДР1А. Построен цех для выполнения технического обслуживания и ремонта дизель-поездов, пункт технического обслуживания локомотивов (1981 г.). В те же годы в депо поступают новые пассажирские тепловозы ТЭП70. При этом тепловозы ТЭП60 еще использовались в поездной работе. В 2002 году последний из тепловозов ТЭП60 депо Полтава был списан.
 Депо производит техническое обслуживание тепловоз из других депо Южной железной дороги. После электрификации станции Полтава железной освоено обслуживания электропоездов переменного тока ЭР9,ЭПЛ9. 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.[источник не указан 1158 дней] В 2006 г. локомотивные бригады депо Полтава начинают осваивать электроподвижной состав переменного тока приписки других депо. В марте 2007 года из службы локомотивного хозяйства ЮЖД выделяют в отдельное подразделение службу пригродных пассажирских перевозок. В связи с этим депо Полтава было разделено на локомотивное и моторвагонное. Последнее получило код РПЧ-2 и разместилось в здании цеха дизель-поездов.
 В августе 2008 г. была завершена электрификация ст. Полтава-Южная. Электрифицированы и пути локомотивного депо: развернутая длина контактной сети ТЧ-5 составила около 9 км, установлено 250 опор. Работнаками депо освоено техническое обслуживание электровозов переменного тока ВЛ80К, ВЛ80Т, ЧС4, ЧС8, ДС3, электровозов двойного питания ВЛ82М. 
 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. В мае — июне в депо поступили еще четыре машины из Знаменки: ВЛ80Т №№ 1058, 1061, 1062, 1073. Освоен текущий ремонт электровозов ВЛ80Т в объеме ТР-2.
 В 2014 г. в депо введен в эксплуатацию универсальный винтовой электроскатоподъемник ЭСПЛ-30КС, что позволило существенно усовершенствовать процесс текущего ремонта локомотивов.