思想实验的建构是思想实验整个过程中最为关键的环节。这个环节揭示了被研究事物的内部规律。建构一个思想实验并不是任人天马行空去建造空中楼阁，必须依靠人们所熟知的并被普遍接受的经验数据，经过严密的逻辑分析来完成。思想实验的建构也离不开联想和形象思维,它使人们由感性认识通过选择、提炼、重组等过程形象地联想出新的想象。
当我们用历史的眼光去考察那些在科学认识活动中起过重要作用的思想实验时，就会发现，从提出问题到用思想实验解决问题，大都经历了一个较长的充满曲折与反复的历史过程。思想实验的这种思维活动，不同于幼儿和人类早期的形象思维，也不同于文学艺术中的形象思维。幼儿和人类早期的形象思维，尚未发展到逻辑思维的水平，不可能被逻辑思维引导和制约。文学艺术中的形象思维，虽然也接受逻辑思维的引导和制约，作家是用形象思维来塑造人物形象，通过人物形象来反映主题。在思想实验中，实验者建构一个思想实验，使用的不是哪一个具体事物的经验表象，而是该类事物的一般的共同的即抽象化了的表象。思想实验的结果，直接得出了一些抽象的概念、理论和规律。
思想实验同物化实验一样，也由实验者（主体），被研究对象（客体）和作为终结的实验仪器设备等三部分构成。如下图。
实验者（主体）实验仪器设备（手段）被实验对象（客体）
只不过，在思想实验中被研究对象和作为“中介”的仪器设备等已经不是实在的物质客体，而是变成了“思维客体”，也就是思维中的抽象物。实验过程是实验主体的人借助这些思维“中介”对“思维客体”进行“操作”和“观察”，逻辑地导出结果。思想实验的建构可以分为三个步骤进行。我们结合“薛定谔的猫”的实验来考察。
问题分析与目标定位
思想实验的问题分析与目标定位是指实验者要确立建构一个什么样的思想实验的问题，这个思想实验要解决什么问题，而且还要指分析思想实验在逻辑上的合理性，以达到对思想实验进行初步筛选的目的。思想实验的客观基础是客观世界和人类世界；对象是自然界及其规律；主观条件就是丰富的科学知识和突出的想象能力。例如：薛定谔的思想实验的问题分析与目标定位：微观世界遵从量子叠加原理，如果自然界确实按照量子力学运行的话，是否宏观世界也应遵从量子叠加原理？宏观世界中是否存在有量子效应？
轮廓构思与细节设计
思想实验的轮廓构思与细节设计是指对整个思想实验的大致概貌有一个初步的理论构想，然后通过细节设计来逐步实施。可以这样说，思想实验的轮廓构思与细节是进行思想实验建构的必经之路，这个过程是通过逻辑分析构成的。思想实验与科学事实之间存在着一定的关系，通过逻辑分析，能使思想实验和事实之间建立起联系，从而设计过程确证或反驳思想实验。它包括实验方案的设计，实验过程的调控，实验数据的收集与整理等等。轮廓构思与细节设计的方法是从一些已确认的理论出发，构思一定的虚拟实验环节，通过规则的推理来论证另外一些理论的可靠性或实验的可能性。例如，薛定谔设想在一个封闭盒子里面有个放射源，它在每一秒时间内以1/2几率放射出一个粒子。换句话说，按照量子力学的叠加性原理，一秒钟后体系处于无粒子态和一个粒子态的等几率幅叠加态。一旦粒子发射出来，它将通过一个巧妙的传动机构将毒药瓶打开，毒气释放后会导致盒子里面的一只猫立刻死亡。当然，如果无粒子的发射，这一切均不会发生，猫仍然活着。现在要问：一秒钟后盒子里的猫是死还是活？既然放射性粒子是处于0和1的叠加态，那么这只猫理应处于死猫和活猫的叠加态。
在思想实验轮廓构思与细节设计阶段，逻辑推理是它的基本指向，实验者在建构思想实验时,想象是充分自由的，他可以根据自己掌握的经验和知识、以及当时的科学水平，就可以对研究的客体进行充分的联想，而且联想从何而发、向何方延伸也是随机的。当众多材料、经验表象等在实验者脑海中涌现时，其展开和联系则常常求助于与此有关的概念和关系。这些概念与关系既同下一步的逻辑思维联系着，又同建构前预定的目的联系着。只要逻辑推理允许，它甚至也接纳那些违背“经验事实”的，或同已确定的“物理规律”相对立的表象进入思想实验中。比如，爱因斯坦在创立相对论的过程中，他为了阐明同时性的相对性，突破了牛顿力学的绝对时空观，建立“爱因斯坦列车”等思想实验，逻辑思维把高速运动的列车、观察者、闪光、时钟等形象以及它们在空间中的位置进行联系和展开，使之成为有理有据、条理清晰的思维过程。
思维运算与结论分析概括
思维运算与结论分析概括是指实验者经过对实验过程的构思与设计，经过逻辑推演，对结论进行分析概括的过程。其中包括分析思想实验中的所使用的概念是否具有精确性、明晰性与简单性；分析思想实验在逻辑结构上是否具有一致性；分析过程是否严密；分析思想实验是否得到已有的科学理论和科学事实的支持等。在薛定谔设计的这个“猫”的思想实验中，实验装置巧妙地把微观放射源与宏观的猫联接起来，最终诞生出这只可笑的薛定谔猫，结论似乎否定了宏观世界存在有可以区分的量子态的叠加态。事实上，大量实验事实都肯定了宏观世界中存在有量子效应。
经过以上三个步骤可以建构一个思想实验，也符合思想实验建构的一般规律。就一个公理体系来说，所有的定理都是直接或间接以该体系的公理论据通过这三个步骤后被确立的。可以说：思想实验是科学与理性思维相结合的结果。思想实验的建构，既是想象自由展开的过程，又是逻辑推演的过程。在这中间，逻辑起着主导作用，它引导、控制着想象，保证想象既是丰富的，但又不是胡思乱想。想象活动为逻辑推演提供了可靠的素材基础，逻辑推演在想象提供的形象运动中操作展开。两者相辅相成，浑为一体。
