Optyka nieliniowa (ang. Nonlinear optics, NLO) – gałąź optyki opisująca zachowanie światła w ośrodkach nieliniowych, czyli takich, w których polaryzacja dielektryczna odpowiada nieliniowo na pole elektryczne światła. Ta nieliniowość jest na ogół obserwowana przy bardzo dużych intensywnościach światła (porównywalnych do kwadratu amplitudy pola elektrycznego w atomie będącego rzędu 108 V/m) uzyskiwanych w laserach. Powyżej limitu Schwingera należy się spodziewać, że sama próżnia staje się ośrodkiem nieliniowym. W nieliniowej optyce przestaje obowiązywać zasada superpozycji.
Podstawy teoretyczne optyki nieliniowej opisała Maria Goeppert-Mayer w swojej pracy doktorskiej w 1931 roku. W 1961 roku Peter Franken ze współpracownikami z University of Michigan zaobserwował generację drugiej harmonicznej (wkrótce po skonstruowaniu przez Theodore’a Harolda Maimana pierwszego lasera[1]). Jednakże część nieliniowych efektów została odkryta przed wynalezieniem lasera[2]. Podstawy teoretyczne wielu nieliniowych procesów zostały opisane w monografii Bloembergena „Nonlinear Optics”[3].