最早提出自然垄断概念的是古典经济学家约翰穆勒。在《政治经济学原理》中，穆勒在论述地租中提出地租是自然垄断的结果这一论断，但穆勒对自然垄断本身没有做任何阐述。事实上，穆勒所谓的自然垄断是指由于自然资源的分布特性使得竞争无法展开的情形，它与我们今天所谈的自然垄断的含义相距甚远。现代经济学对自然垄断的理解基本上是在规模经济层面上理解的。克拉克森与米勒认为：在一定的产出范围内，生产函数呈规模报酬递增状态，即生产规模越大，单位产品的成本就越小。因此，由一个大企业大规模生产要比由几个较小规模的企业同时进行生产能更有效地利用资源。如果规模经济足够大，使得长期平均成本曲线在相应范围内向下倾斜，那么，就仅有一家厂家能够生存下去。这个幸存者就会把产出扩张到最大，并因此而达到平均总成本的最大下降，它可用廉价出售的方法来竞争，最终把对手都挤出该行业。这种情况形成的垄断就是自然垄断。丹尼尔史普博在其名著《管制与市场》中给自然垄断的定义是:自然垄断通常是指这样一种生产技术特征：面对一定规模的市场需求，与两家或更多企业相比，某单个企业能够以更低的成本供应市场。自然垄断起因于规模经济或多样产品生产经济。

自然垄断行业具有如下技术特征。

(1)规模经济和范围经济效应非常显著。虽说绝大多数的行业都具有一定的规模经济和范围经济，但是在自然垄断行业领域，规模经济和范围经济效应是如此显著，平均成本和边际成本随产量增加而大幅度降低，以致于在既定的市场需求下，一家厂商足以提供和满足大部分甚至全部市场需求。而且，只要单一企业生产所有产品的总成本小于多个企业分别生产这些产品的成本之和，即便是这个企业处于平均成本上升阶段，这时这个行业也是自然垄断行业。

(2)关联经济效应显著。自然垄断行业在提供服务时，存在一系列的复杂工序。这些工序之间要求相互稳定衔接，即在技术上是联接的。在具体的产业组织上，往往要求全程全网联合作业和统一兼容性。虽然从理论上讲可以将不同阶段的作业交由不同企业分别完成，但垂直一体化的产业组织往往具有更大的经济效益性，以保证供产销的协调，节约市场交易费用，防止机会主义行为给企业带来的损失。

(3)网络性。自然垄断行业在提供服务时形成网络系统。如电力、煤气、热力供应、自来水、电信、铁路、邮政等行业，均属于网络性行业，必须有一个完整统一的网络才能提供社会化服务。

(4)有大量的沉没成本。由于自然垄断行业的网络性，决定了其要进行大量的固定资本投资，而大规模的固定资本使用时间长，折旧时间长，其资产专用性较强，因此，固定资本的沉淀性很大。

(5)市场集中度特别高。在这样的市场中只能存在少数企业(一家或数家企业)才能实现生产的高效率。因此，从成本和效率的标准看，相对于多家厂商自由竞争而言，寡头垄断和完全垄断是自然垄断行业组织的相对合理的市场结构和制度安排。

(6)普遍服务性。大多数自然垄断行业的产品是公众所需要的基本服务，需要保证所提供服务的稳定性、质量的可靠性和可信赖性。