圖像非局部均值濾波的原理和空間局部濾波不相同，局部空間濾波實質上是在頻域上對圖像進行濾波處理，而非局部均值濾波利用了噪聲的非相關的特性。如下圖所示，在一幅圖像中，具有相同像素的圖像塊是很多的，而其中的噪聲是不相關的。
我們假設無噪聲像素塊為f(x,y)，加性噪聲為n(x,y)，那么加噪后的像素塊為g（x,y）=f(x,y)+n(x,y);我們把多個像素塊進行疊加然后取平均值得到
對該像素塊取均值得到：
由於像素塊的相似性，上式中右邊第一項化簡為f(x,y),第二項由於噪聲的均值為0，所以
另外由於噪聲的非相關性，在任意點（x,y）處的g(x,y)方差為
所以，方差為：
由此可見，通過非局部均值的方法可以減少圖像中的噪聲。