단순화된 장치 등의 조건을 설정하고 거기서 일어나리라고 예상되는 현상을 이론에 입각, 사유적(思惟的)으로 추구하는 사고과정. 구체적 조건의 제약을 받지 않고 실험 오차를 수반치 않는 점에서 현실적 실험의 극한을 취한 이상화 실험이라고 볼 수 있다.

마찰이나 저항을 수반하지 않는 물체의 운동을 조사하고 선 현미경의 실험 등은 그 실례이다.

사고실험은 양을 정의하는 수단으로서 또 이론 체계에 존재할 수 있는 모순의 검토 등에 이용된다.