思想实验是指：使用想象力去进行的实验，所做的都是在现实中无法做到的实验。例如爱因斯坦有关相对运动的著名思想实验，又例如在爱因斯坦和英费尔德合著的科普读物《物理之演进》中，就有一个实验要求读者想像一个平滑，无摩擦力的地面及球体进行实验，但这在现实（或暂时）是做不到的。思想实验需求的是想象力，而不是感官。爱因斯坦曾说：“理论的真理在你的心智中，不在你的眼睛里。”而在这其中。伽利略的实验大多数就是思想实验，历史已经证明他并没有从比萨斜塔上同时扔2个铁球来证明亚里士多德的错误。思想实验与物化实验前对实验过程的构想不同，物化实验前的构想是立足于从实践活动必要和可能出发，并不主要考虑逻辑推演的制约。
重要的是立足于实践环境和条件的可能，思想实验需要运用理论、计算、逻辑证明、猜测，甚至有时是实验者个人的偏见来完成，它遵从物化实验的规则，但同物化实验相比，有自身不同的特征。思想实验不管是在实验对象、实验条件、还是从实验结果来讲，同物化实验比较起来都有一定的理想性。它的实验对象不是实在的物体或物质，而是在大脑中设想的抽象物，通过思想实验对它进行特定的研究加工处理；实验对象一经进入研究的场所，必有与之研究相适应的理想状态、理想条件；实验结果是对客观事实极限的近似值描述，“思想实验所产生的新的理解不是对自然的理解，而宁可说是科学家的概念工具”。
思想实验是用来研究事物本质的想象工具。思想实验体现了科学家和哲学家都富有幻想的能力。科学和哲学都与运用思想实验有关。在科学史上，我们可以列举许多这样重要且具有巨大影响力的思想实验，如牛顿的水桶、麦克斯韦的恶魔、爱因斯坦的升降机，薛定谔的猫。同样，它们在哲学上也很重要。伦理学、语言哲学、心灵哲学中的有些内容都是基于思想实验的结果。如塞尔的中文房间、普特南的孪生地球等。早在17世纪就有许多这样的思想实验者，如伽俐略、笛卡儿、牛顿、莱布尼茨。而在我们这个时代，量子论、相对论中思想实验也发挥着非常关键的作用。当代哲学、科学的发展都离不开它们。
与电车难题类似，定时炸弹实验也是强迫一个人从两个不道德行为中选择其一的伦理问题。它一般用来反驳那些说在任何情况下都不能使用酷刑的言论。它也被用作在极端形势下法律可以被放在第二位的情况，如美国严禁虐囚的法律。归功于《24小时》之类的电视节目，还有一些政治辩论，定时炸弹已成为最常被提起的思想实验之一。2010年早些时候，一份英国报纸提出了更为极端的看法。这份报纸说，如果这个恐怖分子对酷刑毫无反应，那么当局者是否愿意拷打他的妻子和儿女来逼他吐出情报。
