На теоретическом уровне используются все универсальные (общенаучные) приёмы познания, но реализуются они через систему специфических приёмов, характерных для данного уровня исследования. Среди этих приёмов одно из ведущих мест занимает мысленный эксперимент. Характерной чертой теоретического мышления является применение абстрактных объектов. Исследователь, развивая теорию, всегда манипулирует в своём воображении с особыми образами действительности, которые схватывают в обобщённой форме наиболее существенные признаки изучаемых явлений. Такие образы суть абстрактные объекты теоретического уровня знаний. Построение абстрактных объектов как теоретических образов реальной действительности и оперирование ими с целью изучения существенных характеристик действительности составляют задачу мысленного эксперимента. Поэтому роль мысленного эксперимента особенно велика в процессе зарождения нового теоретического знания.
В методологии науки мысленный эксперимент трактуется, с одной стороны, как мысленный процесс, представляющий план будущего реального эксперимента; с другой стороны, под мысленным экспериментом понимается особый вид мыслительной деятельности, при котором не просто продумывается ход реального эксперимента, а осуществляется такая комбинация мыслительных образов, которые в действительности вообще не могут быть реализованы. Понятие мысленного эксперимента в первом аспекте ещё не раскрывает его сущности и специфики как особого метода познания; такое раскрытие дается лишь при втором понимании метода, хотя грань между ними весьма относительна. Любой мысленный эксперимент начинается как продумывание практически осуществимой операции, причём между продумыванием реального и осуществлением мысленного эксперимента трудно провести резкое различие, что, однако не даёт повода к их отождествлению. Различие между мысленным экспериментом и продумыванием реальных опытов начинается там, где мысль, отталкиваясь от первоначальных образов, переходит в область практически неосуществимых вещей, идеализированных объектов. Поэтому часто синонимом мысленного эксперимента выступает термин «идеализированный эксперимент».
По мере усложнения теоретических исследований мысленный эксперимент приобретает все новые функции. Так, в современном естествознании в связи с использованием метода математической гипотезы он становится одним из основных средств интерпретации математических формализмов.
