自然实验指一种受试个体（群体）被自然地或被其他非观察者控制因素暴露在试验或控制条件下的一种试验研究方法。这种对实验组与控制组的划分类似于随机实验。但与随机试验不同，其控制方式并非由实验者选择，所以其本质上是一种观察实验。自然实验适用于：子样本群体可以明确的暴露条件分离的情况，这样可以将观测指标的变化清晰地归因于实验暴露。

在日常生活情境中进行的心理实验。它是心理学研究的一种重要方法。其主要特点是：①主动性：按照研究的目的有意控制或变化某一条件，以引起特定的心理现象，再对其进行考察或作定量分析；②自然性：让被试处于日常活动的环境中，并尽量不让其觉察到实验者的意图以及自己是实验的对象。前一特点使其有可能避免观察法等待考察现象出现需时过长或难以分辨结果的多因性等缺点，后一个特点使其有可能排除实验室实验中因人为的实验环境或紧张气氛影响被试心理表现等缺点。

最著名的早期自然实验之一是1854年在英国伦敦发生的Broad Street霍乱疫情。 1854年8月31日，Soho区爆发了霍乱疫情。在接下来的三天里，布罗德街附近的127人死亡。到疫情结束时，已有616人死亡。医师约翰·斯诺（John Snow）使用死亡和疾病地图显示了水泵周围的一系列病例，从而确定了暴发源是最近的公共水泵。 在这个案例中，斯诺发现水泵的使用与霍乱造成的死亡和疾病之间有很强的联系。斯诺（Snow）发现，向感染率较高地区供水的Southwark and Vauxhall水务公司从有污水排放的泰晤士河下游取水。相比之下，由兰贝斯水务公司（Lambeth Waterworks Company）供水的地区从污水排放点上游获取水，地区感染率较低。鉴于19世纪中叶伦敦的供水工作几乎是偶然的，斯诺认为这种发展是一种“大规模的实验……”。而这种地区暴露在何种水源地的分组，并不由观察者可控制。因此，认为这种实验是一种自然实验，但其并未将这种方法系统化与理论化。

俄国心理学家 Α.Ф.拉祖尔斯基1910年在个性研究中使用了自然实验法，并于 1918年发表了《自然实验及其学校应用》一文,苏联心理学界认为这个方法是由他拟定的。其实，早在他之前就有不少心理学家使用了这种方法，如N.特里普利特于1898年通过儿童游戏比赛进行“群体效应”的实验就是一例。

自然实验的分组划分并不如随机试验那样具有说服力，不过一些特定条件下仍能保持良好的归因性，这也使得近年来其在社会科学研究中具有着越来越重要的地位。而相较于随机试验而言，其在实验伦理上具有着极为重要的优势，如在对吸烟者的研究中，实验者在明知吸烟行为的成瘾性与危害性的条件下，强行从样本中选取个体要求其接受暴露（本例中指吸烟）是不道德的；但可以选取自然实验的方式，从社会中选取吸烟者群体与不吸烟者群体，研究其差异，但要考虑到两个群体间是否具有样本自选择问题（Sample Self-selection）， 如在研究收入与吸烟间的关系时，是否低收入群体更倾向于吸烟以消除社会压力。

自然实验要求对子样本群体（sub-samples or subpoplation）通过自然暴露的划分是自然地、与实验者与实验观测目标无关的（outcome），并要求实验群体难以察觉自身分组，因此在心理学研究中，有时被称作现场实验或不被察觉的实验。但其仍与观察实验（Observational Experiment）间存在一定的区别。

由于自然实验暴露假设的要求，实验分组并不是从同一群体的中随机抽取并选择是否处理的，而是从处理特征上有清晰差异的两个群体中寻找归因，这就导致实验的暴露可能与研究目标或其他因素有关，这便是样本自选择问题（Sample Slef-selection）。如前文提到的对吸烟者收入的研究中，收入（研究目标）与实验者是否吸烟（实验暴露）本身就具有联系，这样便不能将吸烟者收入差异明确地归因于吸烟行为的选择；另一个案例来自于教育经济学，在对留守儿童教育成绩的研究中，往往是家境较差的家庭（其他因素）更倾向于选择让儿童独自留守山村（实验暴露），而家境优劣又与孩子成绩高度相关，这便导致了严重的样本自选择问题。

自然实验的方法被广泛的应用于医学与社会科学的研究中。由于医学在用药选择以及社会科研研究中广泛的实验伦理问题，以及大数据技术不断为之提供的广泛样本，自然实验方法的研究范围正在被不断地扩充。