Procedimiento metodológico al que a veces recurren los científicos cuando, convencidos de sus principios teóricos y del resultado previsto, imaginan simplemente el experimento en sus mentes, sin llevarlo a la práctica. Fue una práctica habitual en científicos del s. XVII, como Galileo (ver texto ) o Descartes, no lo desdeñan los filósofos empiristas y racionalistas de la edad moderna (ver texto ) y no es raro en autores actuales en física teórica.
Es también frecuente el recurso a experimentos imaginarios en la actual filosofía de la mente, aunque en este caso adoptan más bien la forma de ejemplos, generalmente diseñados de forma expresamente exagerada, para poner de manifiesto alguna tesis o la imposibilidad de una tesis rival. De entre estos experimentos pueden destacarse el de Hilary Putnam sobre una hipotética «tierra gemela», o el de John Searle sobre la «habitación china».
En el primer caso, Putnam propone imaginar un planeta gemelo a la tierra, pero en el cual en lugar de H2O, hay XYZ. Aunque ambas sustancias son fenoménicamente idénticas, su composición es distinta. En dicho planeta existe un gemelo idéntico a mí, pero si yo y mi gemelo decimos que «el agua calma la sed», la oración no tiene el mismo significado. En el caso de mi gemelo se refiere a XYZ, y en el mío a H2O. Según Putnam, esto muestra que el significado de los términos de clases naturales, no depende ni de su relación con otros términos ni de los estados internos de los hablantes. De ahí Putnam concluye que los significados «no están en la cabeza», y pone en duda las concepciones clásicas de la referencia. Con el «experimento mental»de la habitación china, Searle (ver texto ) ataca las tesis de la llamada inteligencia artificial (IA) fuerte, y señala que un computador digital no tiene verdadera comprensión. Instanciar un programa correcto no es suficiente para tener una mente, y por ello se opone a la ecuación mente/cerebro = software/hardware.