Układy nieliniowe można również linearyzować – badając układ nieliniowy przy założeniu małych odchyleń od pewnego punktu pracy układu (np. jego stanu równowagi) można rozwinąć funkcje nieliniowe w szereg Taylora, pominąć wyrazy wyższych rzędów i otrzymać w ten sposób równania przybliżone liniowe. Nie każdy jednak układ nieliniowy można poddać linearyzacji. Może się także okazać, że nie istnieje stan równowagi, wokół którego można by dokonać rozsądnej linearyzacji. Natomiast szczególnie podatne dla idei linearyzacji są układy z nieliniowością części statycznej.
W przypadku, gdy nie można zastosować podstawowych metod (np. metody funkcji opisującej) i jeśli układ jest silnie nieliniowy, lecz rząd układu nie jest wysoki, to najlepszą metodą jest badanie trajektorii stanu, a zwłaszcza trajektorii fazowych. Jest to często metoda dość żmudna, jednak daje wyniki całkowicie jednoznaczne. Metoda ta ma szczególnie cenne zastosowanie do analizy układów nieliniowych, których nie można w żaden sposób linearyzować, w szczególności do układów przekaźnikowych, łącznie z przypadkiem występowania histerezy.