Un experimento mental es un recurso de la imaginación empleado para investigar la naturaleza de las cosas. En su sentido más amplio es el empleo de un escenario hipotético que nos ayude a comprender cierto razonamiento o algún aspecto de la realidad. Existe una gran variedad de experimentos mentales y se utilizan en campos tan variados como la filosofía, el derecho, la física y la matemática. Sin embargo, todos emplean una metodología racional independiente de consideraciones empíricas, en el sentido de que no se procede por observación o experimentación física (otra forma de realizar la misma distinción sería entre lo a priori y lo a posteriori).

En filosofía, los experimentos mentales se utilizan por lo menos desde la Antigüedad clásica, algunos filósofos presocráticos, y eran igualmente bien conocidos en el derecho romano. Varias teorías o posturas filosóficas se fundan en los resultados de experimentos mentales: el dilema del tranvía en ética, la habitación china y la tierra gemela en filosofía del lenguaje, el cerebro en una cubeta y el cuarto de Mary en filosofía de la mente, etc.

En física, el siglo XVII fue testigo de experimentos mentales brillantes por parte de Galileo, Descartes, Newton y Leibniz. La creación de la mecánica cuántica y la relatividad son casi impensables sin el papel crucial jugado por los experimentos mentales. Dos ejemplos famosos de experimentos mentales en física son el demonio de Maxwell y el gato de Schrödinger.