实验心理学的方法有广义和狭义之分。狭义的主要就是指实验法。在心理学研究中，实验法并不是唯一的科学方法，但它的确位于所有应用于心理学研究的科学方法的序列顶端。为了准确说明实验心理学专精的研究方法，实验法，在心理学研究中最顶端的方法学地位；有必要对心理学研究所采用的各种科学方法作一番介绍和比较，它们包括：观察法、相关法和实验法。
（1）观察法：是较为原始的一种心理学研究方法。顾名思义，观察法就是通过一定程序收集资料，以期获得描述性的数据来简化复杂现象的过程。虽然观察法在心理学研究的早期阶段非常实用，它可以帮助研究者选择和限定研究的范围作一些前期探索，为进一步实验研究提供资料和课题。然而，因为观察法是描述性的，这种特性必定为其带来如下限制：
其一，观察法无法让研究者对各因素间的关系作出推论；
其二，有时，观察法的结论难以得到重复验证；
其三，使用观察法的研究者往往超出了描述水平，对观察结果进行各种主观解释；
其四，观察活动总是极大地受研究者各自世界观的影响。
因而来自于研究者的期望等主观因素往往会干扰观察结果，这种干扰比起被试的反应性来更难排除。
（2）相关研究法：心理学研究方法的第二层次。相关研究和观察法一样，也是一种基于描述的科学研究方法，不能解释变量间的因果关系。但相关研究法不同于观察法的简单描述，相关系数表示了变量间的联系紧密程度。所以，如果变量间的联系（相关）足够高，那么就能从一个变量的值推断出另一个变量的大小。这正是相关研究法提供的一项功能：预测。这就是相关法的优点：显示变量间的共变关系，从而提示研究者注意到各种现象间可能存在的因果关系。但是由于其方法学特性，决定了相关研究法的缺点在于：其一，相关研究的结果往往取决于其选用相关法的前提条件是否得到了满足；其二，相关研究法无法确定因果关系的方向。
（3）实验法：实验法是科学心理学研究的最高级方法，也是实验心理学系统发展、讨论、应用的科学方法。实验法脱离了观察法和相关研究法的描述性层次，而真正具备了完整的解释、检验和预测功能。
实验，是指通过人为地、系统地操作环境，导致某些行为发生变化，并对之进行观察，记录和解释的科学方法。更具体地说，就是设立有关各种可能因果关系的实验假设和推论，并将这一假设转化为各种变量间的关系，通过各种有效的实验控制方法来检验这些变量间的因果关系。
实验具有观察法和相关研究法所无可比拟的优点，因而更受到实验心理学的青睐：
其一，实验能更好地控制无关变量的影响。就是通过一定的方法和手段，来控制其他因素，从而使自变量以外的其他因素都保持恒定。这样，在逻辑上就可以认为，所获得的任何结果都是由自变量引起的。换句话说，自变量的变化引起了所观察到的因变量的变化；
其二，经济。运用自然观察法时，观察者必须很耐心地等待所要观察的情况出现。如果你住在北极圈附近的挪威特伦汗港，但却想研究热对攻击行为的影响，那么只靠太阳产生高温就需要极大的耐心和时间了。但如果实验者通过设置感兴趣的情景来控制环境，就可以迅速有效地获得数据。但是，不能认为有了实验法就可以抛弃描述性研究方法。正像观察法能够为相关研究法提供必要的准备一样，实验法也离不开较低层次的描述性方法的支持。正是观察法和相关研究法，提供了最初的假设来源和因果猜测，离开了这些，实验法的假设检验和因果结论也就无从谈起。
总之，比起其他科学方法——观察法和相关研究法，实验法在方法学上的地位显然更为突出，因而实验心理学在科学心理学中的地位也是核心和基础的。在实验心理学研究中，研究者用实验来证实或证伪理论，并提供解释心理现象及行为的数据。从这点来说，实验法比观察和相关法更能提供确切的，令人信服的证据来解释各种心理现象和行为背后的因果关系。不过在另一方面，实验的来源和前期准备往往又离不开观察和相关研究。所以这三种方法并不是相互割裂的，而是能够形成一个整体，以最终的实验研究为核心与重点，应用于实验心理学之中。