一種按照實驗程式設計的並在思維中進行的特殊論證方法。這種實驗既不同於實驗室實驗，也有別於形式邏輯的推理。實驗室實驗是借助於物質的觀察、測試手段（科學儀器等），進行實際的操作和測量，並經過資料處理得出實驗結果；一般的形式邏輯推理則是借助形式語言進行的。思想實驗則是按照假想的實驗手段和步驟，進行思維推理，得出合乎邏輯的結果。在思想實驗中，實驗者可以擺脫具體的物質條件的局限，充分發揮人的思維能動作用，對所研究的過程設想出實驗室實驗暫時不可能或原則上不可能達到的實實驗條件，進行邏輯論證。如果所設想的條件是完全理想化的，如絕對真空、絕對光滑等，在這種條件下所進行的論證稱為理想實驗，它是思想實驗的一種重要形式。由於實驗室實驗是在實際能夠達到的條件下進行的，所以，思想實驗是實驗室實驗的重要的邏輯補充，甚至有時是必不可少的補充。實驗室實驗和思想實驗的結合或配合使用，體現出認識方法上經驗與理性的統一、具體與抽象的統一，使人們對於所要研究的問題能獲得更為完整而深刻的規律性認識。
思想實驗作為一種科學方法，在科學研究中發揮瞭重要的作用。一些重要的新概念，正是通過思想實驗產生的，如同時性的相對性、測不準關系、慣性質量與引力質量的等價性等等；一些舊概念的不正確性，也正是通過思想實驗被揭露出來的。例如，古代認為力產生速度的概念、舊量子論關於原子中的電子軌道概念等等。當然，這種通過思想實驗所獲得的認識還必須反復地經受實踐的檢驗。