Eine Nichtlinearität des Photoeffekts kann von einer Nichtlinearität der Anregung oder von einer Nichtlinearität der Transport Vorgänge, beim inneren Photoeffekt insbesondere von der Rekombination herrühren. Letzteres ist gewöhnlich zu berücksichtigen, wenn die Bedingung schwacher Anregung verletzt ist. Die Anregung kann nichtlinear werden durch die Rückwirkung der geänderten Besetzungszahlen auf die Absorption, sie ist grundsätzlich nichtlinear bei allen Mehrquanten-Photoeffekten. Bei der Mischung zweier optischer Signale in einem linearen Photodetektor wird der quadratische Zusammenhang zwischen Intensität und Feldstärke ausgenutzt.