El filtro de Kalman también, puede ser extendido para sistemas no lineales.
Usando una aproximación de Taylor, se puede linealizar un sistema no lineal respecto a la estimación actual.
Muchas de las aplicaciones más importantes del filtro de Kalman son para sistemas de navegación, donde las mediciones pueden ser no lineales, o para sistemas con dinámica no lineal.
Un sistema no lineal se puede describir como: La función f se puede integrar con métodos numéricos (Runge-Kutta, Euler, etc.)para obtener la estimación a priori del estado.
Sin embargo, la covarianza del error ligado a esta estimación a priori no puede ser evaluada directamente, y en su lugar el jacobiano de f evaluado en la estimación del instante se debe calcular para linealizar la función.