此类方法在医学心理学研究中占有重要位置。分实验室内和实验室外两种。实验室内的研究便于控制条件、使用仪器和计算工具，是主要的实验方式。实验室外的实验研究接近自然，如果做得好，更有价值。但因为有许多条件不能控制，所以结果分析难度大，如果资料处理不妥，往往容易作出错误解释。有些实验研究先在实验室内进行，取得足够经验再到实验室外的自然环境中进行。也还有先在动物中进行，然后在人中进行。例如行为指导研究，先在咨询室的模拟环境中进行训练，然后过渡到自然的社会环境中。又如对人际关系发展的研究，先从小猴与母猴，如同胞或同族关系发展中摸到规律，然后将此规律在婴幼儿的人际关系中进行观察，找出它们之间的相似性和相异性。
实验方法与临床法相比，其变异性更大。因为研究的对象、目的和手段不同，研究方法之间的差异非常大。简单的从反应时，手指敲击速度或注意范围起，复杂一点的在遗传方面从细胞到分子；在电生理方面从皮层电位到细胞电位。所用仪器简单的从立停秒表、速示器到现在最先进的高级生化仪器、电生理仪器、X射线仪器。因此有人感叹地说，现在心理研究范围之广，不仅所用手段彼此不了解，所研究的内容彼此更不了解。在此处只介绍实验研究的基本方法。
一、实验研究的基本特征
首先是提出实验室的假说，例如研究年龄和数字记忆广度的关系，必定先提出数字记忆广度与年龄增长有关的假说。其次是研究者选择一个可控制的自变量，在此例中记忆广度是因年龄不同而发生变化的，即因变量。研究的结果，在年龄较小的儿童中，记忆广度因年龄增长而加大，到了一定年龄停止增加，到进入老年期反而因年龄加大而记忆广度逐减这就是实验的结果，用术语来说，是实验效应。这是一个最简单的实验研究模式。
二、实验分组和样本
例如，在比较正常心境和抑郁心境对时间判断的差异时，必须分组比较。本例有两种分组方法：一种是分抑郁心境和正常心境两组人群来进行比较；另一种是同一人群分抑郁心境和正常心境两种状态时进行比较。其中抑郁组（或抑郁状态）为实验组，正常人（或正常心境状态）为控制组或称对照组。对照组在判断时间长短的相差（与实际时间相比）数为基线，实验组在判断时间长短的相差数与对照组的相差数为实验效应。
分组比较因研究内容和目的不同可以设立多个组，比较组也不一定是正常人。
不管怎样分组，其中有一共同原则，那是用来相比较的各组，其对研究目的有影响的各因素都要相一致，或者说要匹配好，否则没有可比性。例如比较A、B两种心理治疗方法的疗效，如果设立两个组分别接受A或B治疗，那么两组的匹配要控制好年龄、性别、诊断、病期等可以影响效果的条件。
分组和取样方法，在统计学上有介绍，如随机取样、比例取样、分层取样或分层比例取样等。样本大小也有一定规定，原则是如其他条件一致，人数多的样本其结果可靠性大。条件控制得越好，实验程序越复杂或者病例越罕见的，则样本小一些也很有意义。
三、实验研究方式
分横断面和纵向研究两种。前面所列心境与时间判断正确性的关系研究，同时设立两组，一组为抑郁，一组为正常心境，这是属于横断面研究；而同组人，在抑郁心境消失或成为正常心境时的比较，属纵向研究。这两类方法各有优缺点。一般来说，横断研究比较容易，在大样本时有意义；纵向研究困难，如果有足够的研究人数，其意义则更大。
四、结果处理
结果处理主要是指统计处理。数据统计工作繁重。现在微电脑广泛用于科研，已将研究人员从繁重的统计工作中解放出来，所以也需要掌握此种技术。