通過非線性環節來構成狀態回饋或輸出回饋的回饋方式。對於某些工程控制系統，採用非線性回饋常比採用線性回饋容易獲得更好的性能。非線性回饋也常被用來達到其他的目的,如簡化控制系統的結構,簡化系統的分析和設計方法等。早期，非線性回饋主要作為一種控制技術，廣泛應用於自動控制系統的設計和構成中。在大多數情況下，非線性回饋問題必須結合具體的系統進行研究，不能建立起一個通用的方法。進入20世紀80年代後，非線性回饋已由一種控制技術形成為一種控制理論，設計非線性回饋的新方法法如漸近方法、幾何方法和外部線性化方法等相繼出現，不僅在理論上取得瞭進展，而且在工程應用上也取得瞭初步的成效。
在自動控制系統中，非線性反饋的應用主要有四個方面。
① 簡化控制系統的結構 典型的例子是繼電控制系統中采用非線性繼電元件構成的非線性反饋。優點是使系統的結構簡單和工作可靠。
② 實現性能指標的最優化 典型的例子有最速控制系統、最小能耗控制系統和最省燃料控制系統等。對於這些類型的控制系統，使性能指標最優的控制規律常常難以采用線性狀態反饋實現，而必須采用非線性狀態反饋來實現。
③ 在大范圍內改善控制系統的性能 在適應控制系統中，非線性反饋常被用來改善系統的性能，特別是用來從根本上改善系統的穩定性。
④ 使非線性系統實現外部線性化 外部線性化法的實質，是通過引入非線性反饋，使一個非線性控制系統在外部特性上等效於一個線性系統。但在控制系統內部，控制對象和控制器仍然保持非線性。外部線性化理論已被應用於機器人控制系統和飛機控制系統等。