Um colégio de aplicação é uma instituição de educação infantil, ensino fundamental e/ou ensino médio, mantido e gerido por uma instituição de ensino superior e dedicado a aplicar as práticas pedagógicas desenvolvidas por ela. Por ser ligado a uma universidade, um colégio de aplicação serve de campo de experimentação para inovações em didática e gestão escolar. Sua função social é integrar a teoria e a prática pedagógicas na formação de alunos e professores.

Universidades utilizam os colégios de aplicação como local de testes de novas pedagogias, bem como local de estágio profissional para os formandos das universidades. Nos colégios de aplicação, os professores costumam ser doutores, mestres e pesquisadores: por isso, os colégios de aplicação costumam se caracterizar por uma elevada qualidade de ensino. Existem mais de cem colégios de aplicação no mundo. No Brasil, são dezessete em universidades federais, mas há também colégios de aplicação vinculados a universidades estaduais e privadas.

Os colégios de aplicação têm a função de pôr em prática inovações que sejam estudadas e pesquisadas no campo da Educação como área de conhecimento. Idealmente, a pedagogia nas escolas deste tipo se orienta pelos princípios da experimentação, da aplicação e da demonstração. Como parte integrante de universidades, os colégios de aplicação têm o papel de ser espaços para o exercício do tripé universitário, que são as atividades de ensino, pesquisa e extensão (e não só ensino, como a maioria dos colégios convencionais). Portanto, professores de ensinos fundamental e médio nesses colégios são também professores da universidade (ainda que não dedicados ao ensino superior), muitos com titulação acadêmica de pós-graduação (mestrado, doutorado), e devem cumprir tarefas como pesquisadores (produzindo conhecimentos novos) e extensionistas (levando o conhecimento da instituição para a sociedade). Frequentemente, os alunos graduandos em cursos de Educação, Pedagogia e licenciaturas (em Letras, Matemática, Química, História, Biologia, Geografia, Física e Educação Física) de universidades que mantêm colégios de aplicação fazem seus estágios docentes nessas escolas.

Mesmo inseridos na estrutura institucional de universidades, nem sempre os colégios de aplicação têm instalações localizadas dentro de um campus universitário. Alguns podem ter prédios próprios, separados dos campi principais.