本发明涉及红外光谱定量分析技术领域，具体涉及一种红外光谱非线性定量分析方法。本发明的红外光谱非线性定量分析方法包括：获取待测混合气体的吸光度向量以及所述待测混合气体中各单纯成分气体在多种标定浓度下的光谱样本点；基于待测混合气体的吸光度向量与各个单纯成分气体的光谱样本点构建非线性最小二乘优化模型；基于Levenberg‑Marquardt迭代算法对上述模型进行求解以确定待测混合气体中各单纯气体成分的定量。本发明的红外光谱非线性定量分析方法对待测烃类混合气体的定量预测精度总体优于当前流行的CLS、PCLS、PLS等算法，并且所需建模样本数量少，建模周期短，成本低且模型更新容易，具有很高的实用性。