相对于线性模型，非线性模型的因变量与自变量之间不能在坐标空间表示为线性对应关系，即不满足叠加原理。

非线性模型的一般形式：

式中为因变量；为自变量；为模型参数；为扰动项；是非线性函数。

如果模型的输出关于输入线性，则称模型为系统线性。如果模型的输出关于参数空间线性，则称模型为关于参数空间线性。如果模型经过适当的数学变换或处理，可将本来是非线性的模型转换成线性模型，那么原来的模型就是本质线性的，否则就是本质非线性的。