Luomuviljelymenetelmiin kuuluu luonnonvarojen ja ravinteiden käyttö viljelykasveihin kemiallisten torjunta -aineiden tai muiden epäorgaanisten menetelmien sijaan. Agroekologian alaan kuuluu usein tähän luonnolliseen viljelyprosessiin liittyviä aiheita. Luonnonmukaisen puutarhanhoidon lisäksi agroekologian opiskelijat tutkivat usein luomuviljelyä muilla menetelmillä, kuten viljelykierto, biologinen tuholaistorjunta ja seurakunnan istutus.
Luomuviljelymenetelmät edistävät kestävyyttä ja biologista monimuotoisuutta välttämällä synteettisiä lannoitteita, torjunta -aineita ja rikkakasvien torjunta -aineita. Luomuviljelijät käyttävät sen sijaan luonnon lannoitteita tai kompostia, joka on valmistettu eläinten lannasta, kasvisjätteistä tai rappeutuneesta kasviaineesta. Orgaaninen puutarhanhoito tarjoaa yhden esimerkin, joka tarjoaa pienemmän menetelmän synteettisten kasvien, kukkien, hedelmien ja vihannesten istuttamiseksi.
Kehittääkseen kestäviä luomuviljelymenetelmiä viljelijät ja puutarhurit kääntyvät tieteenalaan, joka tunnetaan nimellä agroekologia. Tämä maatalouteen liittyvä ala keskittyy keinoihin suunnitella ja ylläpitää tuottavaa, mutta ympäristöystävällistä luonnonviljelyjärjestelmää. Jotkut kriteerit, joita käytetään agroekologisten menetelmien arvioinnissa ja soveltamisessa, ovat yleensä ekologinen ja taloudellinen vakaus, lisääntynyt kasvien tai elintarvikkeiden tuotanto, elintarviketurvallisuus ja resurssien säilyttäminen.
Viljelykierto on yksi monista luomuviljelymenetelmistä, jotka pitävät maaperän hedelmällisenä, sairauksina ja hyönteisinä. Tällä tekniikalla viljelijät ja puutarhurit kääntävät kasvejaan ja kasvejaan puutarhan eri osiin vähintään joka toinen vuosi sekoittaakseen saalistajat. Viljelykierto tarkoittaa myös tietyn kasviryhmän siirtämistä, jolla on samanlaiset kasvutottumukset, paikkaan, joka kuului edelliseen kasviperheeseen. Esimerkiksi maanviljelijä voi istuttaa ryhmän vihreitä puutarhan yhteen osaan, jota seuraa ryhmä tomaatteja ja perunoita. Seuraavan vuoden aikana viljelijä istuttaa tomaatti- ja perunaperheen uuteen maaperän osaan ja siirtää vihreät perheeseen paikkaan, jossa tomaatit ja perunat olivat kerran asuneet.
Biologinen tuholaistorjunta perustuu tiettyjen hyönteisten käyttöön muiden hyönteisten estämiseksi kasveilta. Yksi tapa soveltaa biologista tuholaistorjuntaa luomuviljelymenetelmänä on kasvattaa ryhmä loisia tai hyönteisiä laboratoriossa ja päästää ne sitten pellolle kasvien suojelemiseksi. Esimerkkejä näistä “luonnollisista vihollisista” ovat rokotkuoriaiset, nauhat ja hyönteisiä hyökkäävät sukkulamatot.
Muita luomuviljelymenetelmiä ovat kumppaniviljelmät. Tämä tunnettu luonnollinen viljelytekniikka keskittyy ajatukseen, että kasvit voivat hyötyä toisistaan, kun ne sijoitetaan läheisyyteen. Esimerkkejä yhteensopivista kasveista ovat seuraavat: maissi, kehäkukka ja kurpitsat; salaattia, retiisiä ja porkkanaa; ja mansikoita, pinaattia ja favapapuja. Parannettu maaperä, korkeampi kasvien tai sadon sato ja luonnollinen tuholaistorjunta ovat kumppaneiden istutuksen etuja.