การป้อนกลับเชิงลบ คือการที่ความต่างระหว่างค่าจริงกับค่าอ้างอิงของระบบ ไปส่งผลให้ความต่างนั้นลดขนาดลง การเปลี่ยนแปลงใดๆ ที่ทำให้ค่าจริงเคลื่อนออกจากค่าอ้างอิงจะถูกควบคุม ระบบที่มีดัชนีการป้อนกลับทางลบสูงมีแนวโน้มจะมีความเสถียรมาก
ใน คริสต์ศตวรรษที่ 16 ได้มีการประดิษฐ์ลูกเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง (centrifugal governor) ซึ่งถูกนำไปใช้โดยเจมส์ วัตต์เพื่อใช้ในการควบคุมปริมาณไอน้ำสู่เครื่องจักรไอน้ำเพื่อนำไปควบคุมความเร็วของเครื่องจักรอีกทีหนึ่ง โดยมีหลักการทำงานดังภาพ
ตัวอย่างการใช้งานในการควบคุมระบบที่มักพบเห็นอย่างแพร่หลายได้แก่ เทอร์มอสแตต (thermostat) เพส-ล็อก ลูป (phase-locked loop) การควบคุมฮอร์โมน (hormonal regulation) และการควบคุมอุณหภูมิในสัตว์
ตัวอย่างการใช้งานอย่างง่ายที่ใช้เทอร์มอสแตตนั้น มีหลักการทำงาน ดังนี้คือ เมื่ออุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้นเกินจากที่กำหนดไว้ เทอร์มอสแตตจะทำการปิดเครื่องทำความร้อน ซึ่งจะทำให้อุณหภูมิห้องลดลง แต่เมื่ออุณหภูมิห้องลดลงจึงถึงระดับหนึ่ง เทอร์มอสแตตจะทำการเปิดระบบทำความร้อนอีกครั้ง ซึ่งหากขอบเขตของอุณหภูมิที่ตั้งค่าไว้ให้เทอร์มอสแตตทำการเปิดและปิดใกล้เคียงกันแล้ว ผลลัพธ์ที่ได้คืออุณหภูมิห้องโดยรวมจะค่อนข้างคงที่ ในทางกลับกันหลักการทำงานเช่นนี้ก็ถูกนำไปใช้ในระบบทำความเย็น อย่างเช่น เครื่องปรับอากาศ ตู้เย็น และห้องแช่เย็น
ระบบทางชีวภาพหลายๆ ระบบ มีกลไกป้อนกลับทางลบควบคุมอยู่ เช่น baroreflex ที่ควบคุมความดันเลือดและการสร้างเม็ดเลือดแดง เป็นต้น กระบวนการทางชีวภาพหลายๆ อย่าง (เช่นในกายวิภาคของมนุษย์) ใช้การป้อนกลับทางลบมาควบคุมสมดุล ตัวอย่างของการใช้การป้อนกลับทางลบมาควบคุมสมดุลชีวภาพมีหลายอย่างมาก เช่น การควบคุมอุณหภูมิกาย การควบคุมระดับน้ำตาลในเลือด หากวงจรการควบคุมนี้เสียหายมักทำให้เกิดผลที่ไม่พึงปรารถนา เช่น หากกลไกที่ควบคุมระดับน้ำตาลในเลือดไม่สูงเกินไป (เช่น อินซูลิน หรือตัวรับอินซูลิน) เกิดความผิดปกติขึ้น ร่างกายก็จะมีระดับน้ำตาลสูงกว่าที่ควร ทำให้เป็นโรคเบาหวานได้ เป็นต้น
การควบคุมการหลั่งฮอร์โมนส่วนใหญ่ใช้กลไกการป้อนกลับทางลบมาควบคุม เช่น ต่อม X หลั่งฮอร์โมน X ไปกระตุ้นเนื้อเยื่อเป้าหมายให้สร้างสาร Y เมื่อสาร Y มีระดับสูงกว่าที่ควร ต่อม X จะ "รับรู้" ว่าทำงานมากเกินไป และลดการสร้างฮอร์โมน X ลง เป็นต้น
