Les circuits combinatoires sont des circuits électroniques numériques dont la sortie dépend uniquement des entrées présentes à un instant donné. Contrairement à d'autres circuits capables de mémoriser des informations, ils ne gardent aucun souvenir des états précédents. À chaque instant, ils calculent simplement un nouveau résultat à partir des signaux qu'ils reçoivent.

Un circuit combinatoire est construit en associant plusieurs portes logiques comme les portes ET, OU, NON ou XOR. Chaque porte réalise une opération simple, mais leur combinaison permet d'obtenir des fonctions beaucoup plus complexes. Les informations circulent des entrées vers les sorties en traversant ces différentes portes.

Imaginons une alarme qui doit se déclencher si une fenêtre est ouverte OU si une porte est ouverte. Une simple porte OU suffit pour réaliser cette fonction. En revanche, si l'alarme ne doit fonctionner que lorsque le système est activé ET qu'une fenêtre est ouverte, plusieurs portes logiques devront être associées pour obtenir le comportement souhaité.

Les circuits combinatoires sont utilisés pour effectuer toutes sortes de traitements numériques. Ils peuvent comparer des nombres, réaliser des calculs, sélectionner une information parmi plusieurs, ou encore convertir un code en un autre. Parmi les plus connus, on trouve les additionneurs, les comparateurs, les multiplexeurs, les démultiplexeurs, les décodeurs et les encodeurs.

Prenons l'exemple d'un additionneur. Son rôle est d'additionner deux nombres binaires. L'opération est réalisée entièrement par des portes logiques. Le plus simple est le demi-additionneur, qui additionne deux bits.

On remarque que lorsque les deux bits valent 1, la somme vaut 0 et une retenue est produite. Ce principe est exactement le même que lorsque l'on additionne deux nombres en écriture décimale.

Les circuits combinatoires sont présents dans tous les processeurs modernes. Chaque opération arithmétique, chaque comparaison ou chaque décision prise par un ordinateur fait intervenir des milliers, voire des millions de portes logiques organisées en circuits combinatoires.

Ces circuits sont extrêmement rapides. Ils ne conservent aucune information entre deux calculs : dès que les entrées changent, les sorties sont automatiquement recalculées après un très court délai de propagation. Pour mémoriser des données, il faut utiliser une autre famille de circuits appelée circuits séquentiels, qui seront étudiés avec les bascules et les registres.