การคำนวณแบบธรรมชาติหมายถึงเทคนิคการคำนวณประเภทใด ๆ ที่ใช้วัสดุหรือแรงบันดาลใจจากธรรมชาติ ตัวอย่างของการคำนวณทางธรรมชาติรวมถึงการพัฒนาเครือข่ายประสาทเทียมที่ปรับให้เข้ากับการเปลี่ยนแปลงและการออกแบบคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่อาจมีประสิทธิภาพมากกว่าคอมพิวเตอร์ในปัจจุบัน การคำนวณตามธรรมชาติยังสามารถอ้างถึงการสร้างสารประดิษฐ์ที่เลียนแบบธรรมชาติ
มีเขตข้อมูลการคำนวณจำนวนมากที่ใช้แนวคิดจากธรรมชาติเพื่อสร้างวิธีการแก้ปัญหาที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น คอมพิวเตอร์บางเครื่องยังได้รับการพัฒนาในช่วงต้นศตวรรษที่ 21 เพื่อใช้วัสดุธรรมชาติเช่นโมเลกุลบางอย่างเพื่อทำการคำนวณที่รวดเร็วและมีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น เทคนิคเหล่านี้เป็นรูปแบบของการคำนวณทางธรรมชาติทุกรูปแบบเพราะมันจะไม่มีอยู่หากปราศจากความรู้อย่างละเอียดว่าระบบธรรมชาติทำงานอย่างไร
การคำนวณตามธรรมชาติยังสามารถอ้างถึงการพยายามสร้างสิ่งมีชีวิตเทียมที่ทำตัวเหมือนระบบที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ สิ่งเหล่านี้รวมถึงการพยายามสร้างระบบที่สามารถดำเนินการกระบวนการต่าง ๆ เช่นการควบคุมยีนซึ่งเป็นสิ่งสำคัญในสิ่งมีชีวิต อีกตัวอย่างหนึ่งคือการประกอบตัวเองซึ่งหมายถึงระบบที่สามารถจัดระเบียบตัวเองจากสถานะเริ่มต้นที่ไม่เป็นระเบียบ
ตัวอย่างเช่นโครงข่ายประสาทเทียมมักใช้โดยโปรแกรมเมอร์คอมพิวเตอร์ที่ต้องการให้โปรแกรมอัตโนมัติมีประสิทธิภาพมากขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป สิ่งเหล่านี้ขึ้นอยู่กับโครงสร้างที่พบในเครือข่ายประสาทที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติเช่นที่พบในเซลล์ประสาทในสมอง ด้วยการใช้ระบบแบบง่าย ๆ ที่พบในโครงข่ายประสาทธรรมชาติผู้เขียนโปรแกรมคอมพิวเตอร์สามารถทำให้โปรแกรมสามารถปรับให้เข้ากับข้อมูลใหม่ได้มากขึ้น ในปี 2011 เครือข่ายประสาทเทียมไม่ได้มาใกล้กับความซับซ้อนของเครือข่ายประสาทเทียมที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ แต่ก็ยังมีประโยชน์
อีกตัวอย่างหนึ่งของการคำนวณแบบธรรมชาติคือการค้นคว้าวิธีสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัม แนวคิดก็คือแทนที่จะใช้คอมพิวเตอร์สมัยใหม่ซึ่งทำการคำนวณตามสถานะไบนารีของ 0 หรือ 1 คอมพิวเตอร์ควอนตัมในทางทฤษฎีสามารถใช้สถานะอื่น ๆ อีกมากมาย สิ่งนี้อาจนำไปสู่คอมพิวเตอร์ที่ทำงานเร็วกว่ามาก ในขณะที่มีการคิดว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมยังคงอยู่ไกลออกไปในปี 2011 ดูเหมือนจะไม่มีเหตุผลทางวิทยาศาสตร์ว่าทำไมมันไม่สามารถทำได้เมื่อเทคโนโลยีมีความก้าวหน้าเพียงพอ
มีตัวอย่างอื่น ๆ อีกมากมายของการคำนวณทางธรรมชาติ เหล่านี้รวมถึงการออกแบบชีวิตเทียม, หุ่นยนต์และการคำนวณวิวัฒนาการ หน่วยสืบราชการลับจับกลุ่มซึ่งเป็นประเภทของระบบที่เลียนแบบกลุ่มสัตว์ขนาดใหญ่เช่นมดก็อาจมีความสำคัญในอนาคต มีแอปพลิเคชั่นที่มีศักยภาพจำนวนมากโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อพยายามคาดการณ์เหตุการณ์ในอนาคต
