思想实验的建构是思想实验整个过程中最为关键的环节。这个环节揭示了被研究事物的内部规律。建构一个思想实验并不是任人天马行空去建造空中楼阁，必须依靠人们所熟知的并被普遍接受的经验数据，经过严密的逻辑分析来完成。思想实验的建构也离不开联想和形象思维,它使人们由感性认识通过选择、提炼、重组等过程形象地联想出新的想象。当我们用历史的眼光去考察那些在科学认识活动中起过重要作用的思想实验时，就会发现，从提出问题到用思想实验解决问题，大都经历了一个较长的充满曲折与反复的历史过程。思想实验的这种思维活动，不同于幼儿和人类早期的形象思维，也不同于文学艺术中的形象思维。
幼儿和人类早期的形象思维，尚未发展到逻辑思维的水平，不可能被逻辑思维引导和制约。文学艺术中的形象思维，虽然也接受逻辑思维的引导和制约，作家是用形象思维来塑造人物形象，通过人物形象来反映主题。在思想实验中，实验者建构一个思想实验，使用的不是哪一个具体事物的经验表象，而是该类事物的一般的共同的即抽象化了的表象。思想实验的结果，直接得出了一些抽象的概念、理论和规律。思想实验同物化实验一样，也由实验者(主体)，被研究对象(客体)和作为终结的实验仪器设备等三部分构成。只不过，在思想实验中被研究对象和作为"中介"的仪器设备等已经不是实在的物质客体，而是变成了"思维客体"，也就是思维中的抽象物。实验过程是实验主体的人借助这些思维"中介"对"思维客体"进行"操作"和"观察"，逻辑地导出结果。思想实验的建构可以分为三个步骤进行。我们结合"薛定谔的猫"的实验来考察。
思想实验的轮廓构思与细节是进行思想实验建构的必经之路，这个过程是通过逻辑分析构成的。思想实验与科学事实之间存在着一定的关系，通过逻辑分析，能使思想实验和事实之间建立起联系，从而设计过程确证或反驳思想实验。它包括实验方案的设计，实验过程的调控，实验数据的收集与整理等等。轮廓构思与细节设计的方法是从一些已确认的理论出发，构思一定的虚拟实验环节，通过规则的推理来论证另外一些理论的可靠性或实验的可能性。在思想实验轮廓构思与细节设计阶段，逻辑推理是它的基本指向，实验者在建构思想实验时,想象是充分自由的，他可以根据自己掌握的经验和知识、以及当时的科学水平，就可以对研究的客体进行充分的联想，而且联想从何而发、向何方延伸也是随机的。
思想实验的问题分析与目标定位是指实验者要确立建构一个什么样的思想实验的问题，这个思想实验要解决什么问题，而且还要指分析思想实验在逻辑上的合理性，以达到对思想实验进行初步筛选的目的。思想实验的客观基础是客观世界和人类世界;对象是自然界及其规律;主观条件就是丰富的科学知识和突出的想象能力。例如:薛定谔的思想实验的问题分析与目标定位:微观世界遵从量子叠加原理，如果自然界确实按照量子力学运行的话，是否宏观世界也应遵从量子叠加原理?宏观世界中是否存在有量子效应?思想实验的轮廓构思与细节设计是指对整个思想实验的大致概貌有一个初步的理论构想，然后通过细节设计来逐步实施。
