Нелине́йная поляриза́ция среды́, возникновение в среде под действием внешних электромагнитных полей макроскопического электрического момента (дипольного, квадрупольного и т. п.), нелинейно зависящего от их амплитуд. Причиной нелинейности могут быть различные физические механизмы: ангармонизм движения связанных электронов вещества в интенсивном электромагнитном поле; перераспределение частиц по энергетическим уровням при поглощении электромагнитного излучения; ориентация в сильном электрическом поле молекул, обладающих анизотропией поляризуемости; локальное изменение плотности среды за счёт электрострикции и т. д. Вид зависимости нелинейной поляризации от амплитуд полей определяется конкретным механизмом нелинейности, величиной действующих полей и характером их изменения во времени. Часто нелинейную поляризацию представляют в виде разложения по степеням напряжённости электрического и магнитных полей; при этом в качестве коэффициента ряда выступают тензоры нелинейных восприимчивостей.

Нелинейная поляризация ответственна за возникновение таких эффектов, как генерация гармоник, взаимодействие и самовоздействие электромагнитных волн, вынужденное рассеяние света, нелинейное поглощение света, электрооптические и магнитооптические эффекты и т. д. (подробнее см. Нелинейная оптика).