Doğal bilgi işlem, doğadan malzeme veya ilham kullanan her türlü bilgi işlem tekniğini ifade eder. Doğal bilgi işlem örnekleri arasında, değişikliklere uyum sağlayan yapay sinir ağları geliştirmek ve potansiyel olarak mevcut bilgisayarlardan çok daha güçlü olabilecek kuantum bilgisayarları tasarlamak bulunmaktadır. Doğal bilgi işlem aynı zamanda doğada bulunanları taklit eden yapay maddeler yaratmayı da ifade edebilir.
Doğadan fikirleri problemlere daha verimli çözümler üretmek için kullanan çok sayıda hesaplama alanı vardır. Bazı bilgisayarlar ayrıca daha hızlı ve daha verimli hesaplamalar yapmak için belirli moleküller gibi doğal malzemeleri kullanmak için 21. yüzyılın başlarında geliştirilmektedir. Bu tekniklerin hepsi doğal hesaplama biçimleridir, çünkü doğal sistemlerin nasıl çalıştığı hakkında ayrıntılı bilgi olmadan var olamazlar.
Doğal hesaplama aynı zamanda doğal olarak oluşan sistemler gibi davranan yapay organizmaları üretmeye çalışmak anlamına da gelebilir. Bunlar, canlı organizmalarda önemli olan gen regülasyonu gibi işlemleri gerçekleştirebilecek sistemler kurmayı denemeyi içerir. Başka bir örnek, kendilerini düzensiz bir başlangıç durumundan organize edebilen sistemleri ifade eden öz montajdır.
Örneğin sinir ağları, bir programın zaman içinde otomatik olarak daha verimli olmasını isteyen bilgisayar programcıları tarafından sıklıkla kullanılır. Bunlar, beyindeki nöronlarda bulunanlar gibi doğal olarak oluşan sinir ağlarında bulunan yapılara dayanmaktadır. Doğal sinir ağlarında bulunan sistemlerin basit versiyonlarını kullanarak, bilgisayar programcıları programlarını yeni bilgilere daha uyumlu hale getirebilir. Yapay sinir ağları, 2011 itibariyle, doğal olarak oluşan sinir ağlarının karmaşıklığına yaklaşmaz, ancak yine de faydalı olabilir.
Doğal hesaplamanın bir başka örneği de kuantum bir bilgisayarın nasıl oluşturulacağını araştırmaktır. Buradaki fikir, 0 veya 1'in ikili durumlarını temel alan hesaplamalar yapan modern bilgisayarlar yerine, kuantum bir bilgisayarın teorik olarak daha birçok durumu kullanabileceğidir. Bu çok daha hızlı bilgisayarlara yol açabilir. Kuantum bir bilgisayarın hala çok uzak olduğu düşünülmekle birlikte, 2011 itibariyle, teknoloji yeterince gelişmiş hale geldiğinde neden elde edilemeyeceğine dair bilimsel bir neden yok gibi görünüyor.
Diğer çeşitli doğal hesaplama örnekleri vardır. Bunlar yapay yaşam, robotik ve evrimsel hesaplamanın tasarlanmasını içerir. Karıncalar gibi büyük hayvan gruplarını taklit eden bir sistem türü olan sürü zekası, gelecekte de önemli olabilir. Özellikle gelecekteki olayları tahmin etmeye çalışırken bazı potansiyel uygulamalara sahiptir.
