ניסוי מחשבתי הוא ניסוי בכוח המחשבה שאין צורך לערוך בפועל. ניסוי כזה יכול להיעשות במטרה להסיק מסקנות על סמך מידע קיים, לחפש השערות או כדי להוכיח שההשערות.
האנלוגיה "קנקן התה של ראסל" נועדה להכריע בשאלה, על מי מוטלת חובת ההוכחה? ובפרט בנוגע לשאלת קיום האל.
פרדוקס החתול של שרדינגר הוא ניסוי מחשבתי בתורת הקוונטים. הרעיון מתאר ניסוי מחשבהתי שבמסגרתו ישנו חתול שנמצא במצב אבסורדי, גם חי וגם מת.
חדרה של מרי הוא ניסוי מחשבתי שמטרתו להראות כי קיימות תכונות שאינן פיזיקליות וידע הניתן להשגה על בסיס ניסיון תודעתי.
ההימור של פסקל (נקרא גם: הימור הפתאים של פסקל), הוא ניסוי מחשבתי שהגה המתמטיקאי בלז פסקל להוכחת כדאיות האמונה באל.
המלון של הילברט הוא סיפור שהשתמש בו המתמטיקאי דויד הילברט כדי להמחיש את התכונות הייחודיות של קבוצות אינסופיות.