思维研究的不同历史阶段，有着不同的研究方法。早期的尝试错误说和顿悟说，沿用的主要方法是行为测量。行为测量是指研究者通过对被试外显行为的观察或运用各种指标对被试的外显行为的评估来获得思维过程数据的方法。通过对观察数据或行为指标的分析，往往可以推测被试的内在思维过程。行为测量有两个层次：观察数据和行为指标。
思维的另一个研究方法为内省式的言语报告。在思维研究领域，通常会让被试在问题解决或推理的过程中，将其思路用言语报告出来，这种言语报告的方式被称为出声思维，这样就可以直接观察人的思维过程。
随着认知心理学研究的深入，建构认知模型的方法逐渐受到研究者的青睐。建构认知模型非专指某种具体的方法，没有一成不变的具体方法。研究者往往会尝试各种方法，综合系列实验研究的结果，来建立模型以揭示思维的心理机制和内部表征，并设计实验来检验模型的解释力。