Gråhuvad duva (Leptotila plumbeiceps) är en fågel i familjen duvor inom ordningen duvfåglar.
Gråhuvad duva är en 25 cm lång duva. Den har grått på huvud och hals, den senare med purpurglans. Pannan och strupen är vitaktig. Resten av ovansidan är olivbrun, medan undersidan är skäraktig, mot buken vit. Stjärten är brett vitspetsad. Näbben är svart och benen röda. Unga fåglar saknar det gråa på huvudet och har beigefärgade kanter på ryggfjädrarna.
Gråhuvad duva delas in i två underarter med följande utbredning:
Underarten notia inkluderas ibland i plumbeiceps.
Tidigare behandlades panamaduvan (L. battyi) utgöra en underart till gråhuvad duva, och vissa gör det fortfarande.
Gråhuvad duva bebor skogar, uppvuxen ungskog och kakaoplantage. Den ses vanligen enstaka eller i par, födosökande på marken efter frukt, frön och små ryggradslösa djur. Fågeln häckar i ett bo av kvistar i ett träd. Den lägger två vita ägg som ruvas i 14 dagar. Efter ytterligare 15 dagar är ungarna flygga.
Arten har ett stort utbredningsområde och en stor population, men tros minska i antal, dock inte tillräckligt kraftigt för att den ska betraktas som hotad. Internationella naturvårdsunionen IUCN kategoriserar därför arten som livskraftig (LC).
