Nelineární vlna je vlna s dostatečně velkou amplitudou , při které začínají ovlivňovat nelineární vlastnosti prostředí . To vede ke vzniku zcela nových efektů a výrazně mění povahu již známých jevů.
V nelineárním prostředí se mění jak zákony odrazu a lomu , tak absorpční koeficient.
Nelineární vlny mají mnoho společného s nelineárními oscilacemi a jsou spolu s nimi uvažovány v teorii nelineárních oscilací a vln.
Nelineární vlny mohou být buď stacionární (zachovají si svůj tvar) nebo nestacionární. Mezi stacionárními vlnami mají zvláštní význam takzvané solitony — nelineární osamělé vlny.