Em filosofia e em física, um experimento mental ou experiência mental constitui um raciocínio lógico sobre um experimento não realizável na prática mas cujas consequências podem ser exploradas pela imaginação, pela física ou pelas matemáticas. Esses experimentos são utilizados para se compreender aspectos não experimentáveis do Universo. A expressão foi popularizada pelos Gedankenexperiment utilizados por Albert Einstein para explorar algumas das consequências da Teoria da Relatividade. Um experimento mental clássico permite por exemplo demonstrar a conhecida equivalência massa-energia expressada pela equação:

${\displaystyle E=mc^{2}}$

Contudo, o conceito de experimento mental é muito mais antigo e remonta à tradição grega. Um famoso exemplo é a alegoria da caverna de Platão. Outros exemplos clássicos se encontram no pensamento de Sócrates. Os experimentos mentais em física remontam ao menos à época de Galileu Galilei.

Muitos experimentos mentais incluem aparentes paradoxos sobre fatos conhecidos que têm permitido reformular em maior medida diferentes teorias científicas.