Si definisce monopolio naturale una configurazione industriale in cui il numero ottimale di imprese presenti sul mercato è uno. Il monopolio naturale si manifesta quando nell'intervallo di produzione rilevante, ossia nell'intorno del volume di produzione domandato dal mercato, la funzione di costo è subadditiva. Ciò significa che i costi sostenuti da una sola impresa nel produrre l'intera quantità domandata sono inferiori a quelli che sosterrebbero due o più imprese contemporaneamente presenti sul mercato. Sotto queste condizioni, la presenza di un unico operatore è più efficiente di una pluralità di imprese per motivi puramente tecnologici, fermi restando i costi sociali comunque generati da un monopolista.
Due sono quindi le determinanti del monopolio naturale:
Se in monopolio naturale si volesse replicare il comportamento d'impresa perfettamente concorrenziale, si perverrebbe ad una configurazione in cui il profitto d'impresa è negativo: questo aspetto rappresenta un elemento problematico nella "regolamentazione pubblica" dei comportamenti di imprese private in mercati di monopolio naturale: atteso che su un mercato vi sia un'unica impresa monopolista - se il monopolio è naturale - obbligare tale impresa a comportarsi come se fosse in perfetta concorrenza, le farebbe ottenere un profitto negativo. Per questo motivo, la regolamentazione del monopolio naturale non può prevedere che l'impresa privata sottoposta a regolamentazione pubblica replichi la perfetta concorrenza. Il punto più vicino alla perfetta concorrenza, compatibile con profitti d'impresa non negativi è il punto di second best nel quale il prezzo eguaglia il costo medio di produzione: tale punto giace in una posizione intermedia tra il punto di ottimo per il monopolista e il punto di perfetta concorrenza.