심리학은 과학적 연구 방법을 통해 지식을 탐구하기 때문에 과학으로 분류된다. 과학적 방법이란 사실들에 근거하여 이론을 수립하고 실증하는 방법을 의미한다. 그것은 체계적으로 사건을 관찰하는 것, 질문을 도출하는 것, 질문에 답하기 위하여 변인 간 관계에 대한 가설을 세우는 것, 가설을 검증하기 위해 증거 자료를 수집하는 것, 그러한 증거를 활용하여 이론을 수립하는 것, 그리고 그 이론을 검증하는 것을 모두 포함한다.
모든 과학은 궁극적으로 관찰로부터 시작한다. 즉, 어떤 일이나 사건에 대한 인상이나 영감에 머무르지 않고 체계적인 관찰이 이루어져야 한다. 과학자들은 모호한 현상들로부터 가능한 한 명백한 사실들을 알아내기를 원한다. 과학적 사실은 자료에 의해서 입증되는데, 자료는 현상에 대한 중립적이고 객관적인 진술들이나 수치들로 이루어진다. 자료는 연구자가 자신의 신념이나 감정 또는 해석에 기초하여 왜곡시키지 않아야만 비로소 객관적으로 된다. 연구자는 자료가 모두 수집되기 전까지 중립성을 유지하기 위해서 어떠한 해석도 유보한다. 만약 자료가 체계적으로 수집되었다면, 그 자료를 수집한 연구자뿐만 아니라 누구라도 동일한 관찰을 반복함으로써 비교할 수 있는 자료들을 수집할 수 있다. 이처럼 어떤 연구를 반복하여 원래 수집된 자료와 비교하는 것을 반복 검증이라고 부른다. 과학자들은 대개 남성과 여성에게서 우울증의 비율이 어느 정도나 되는지처럼 수치화된 양적 자료를 선호하는데, 그 이유는 이러한 양적 자료가 상대적으로 요약하고 분석하고 보고하기 쉽기 때문이다. 그러나 이 외에도 많은 과학자가 현상의 기술과 설명을 위한 질적 관찰을 수행하기도 한다. 이러한 질적 관찰은 상대적으로 연구의 초기 단계에서 많이 이루어지며, 예를 들어 아이들이 유치원에서 어떤 장난감을 가지고 노는 지와 같이 특정 사건의 발생이나 세부적 특징을 기술하는 데 중점을 둔다. 어떤 현상이나 사건이든 대체로 한 가지 이상의 해석이 가능하기 때문에 체계적인 관찰은 단지 과학적 방법의 첫 번째 단계일 뿐이다. 이는 미소가 행복, 동의, 온화함 또는 즐거움 등 다양한 심리 상태를 의미할 수 있는 것과 같은 이치다. 자료의 올바른 해석을 위해서 연구자들은 다음 절에서 설명되는 부가적인 단계들이 필요하다. 과학의 대부분은 관찰을 통해서 제기된 질문에 답을 찾는 것이다. 과학자들이 던지는 질문은 그들의 과학자들의 흥미를 자극하는 직접적 관찰 이외에도 학술지에 게재된 다른 연구자들의 논문이나 어떤 일을 반추함으로써 얻어지는 간접적 관찰로부터 만들어질 수도 있다. 어떤 현상이나 사건에 대한 질문에 답하기 위해서 과학자들은 가설을 세운다. 가설은 관찰된 변인 간의 관계에 대한 잠정적인 아이디어이다. 전형적으로 가설은 두 개 이상의 변인 간의 관계에 대해서 진술한다. 가설은 종종 한 변인이 다른 변인의 원인이 된다고 진술한다. 연구자들은 상황의 변화 가능성을 변인 간의 관계를 통해서 표현한다. 즉, 변인이란 변화할 수 있는 속성을 지닌 측정 가능한 형태의 물질, 양 또는 어떤 실체를 의미한다. 심리학자들이 관심을 가질 만한 변인의 예에는 사람들이 어떤 보상을 선택할지 결정하는 데 필요한 시간, 양육 환경 또는 주거지역 등이 있다. 가설을 검증하기 위해서 새로운 자료를 수집할 필요가 있다. 그러나 그전에 가설의 주요 개념들을 어떤 식으로든 검증할 수 있는 형태로 다듬어야 한다. 조작적 정의란 변인이 어떻게 측정되거나 조작될 것인지를 명시하는 것이다. 연구에서 사용한 조작적 정의에 따라 측정된 자료는 그 연구에서 가설의 지지 증거로 활용된다. 전형적인 연구의 예를 들면 다음과 같다. 먼저 사람들을 두 집단으로 분류하고 두 집단의 수행을 평가한다. 이때 한 집단은 특정 기간 심상화를 통해서 연습하고, 또 다른 집단은 심상을 통한 연습 없이 단지 골프 코스를 시각화하도록 한다. 그러고 나서 일정 시간이 지난 후 두 집단의 골프 수행을 평가한다. 실제로 이러한 절차를 적용한 많은 연구에서 심상화 연습에 참여한 사람들이 그렇지 않은 사람들에 비해서 수행 향상 폭이 크다는 결과가 일관되게 나타났다. 가설 검증을 위한 관찰에는 크게 두 가지 유형이 있다. 첫 번째 예는 한 시간 안에 엄마가 아기에게 몇 번을 말하는지 또는 골프공이 얼마나 멀리 날아가는지 등과 같이 연구 목적에 해당하는 사건을 직접적으로 관찰하는 것이다. 두 번째는 사고, 동기, 감정 등과 같은 심리 상태를 간접적으로 관찰하는 것이다. 실제로 다양한 행동들이 특정 심리 현상에 대한 추론을 끌어내는데 간접증거로 활용된다. 이론은 일련의 연구 결과들을 체계적으로 설명하는 개념들 또는 원리들로 구성되어 있다. 가설이 변인 간의 특정 관계를 다룬다면, 이론은 왜 그러한 관계가 존재하는지에 대한 근본적인 원인에 초점을 맞춘다. 앞의 예에서 심상화 연습이 수행 향상을 유발한다는 생각은 하나의 가설이지 이론은 아니다. 이론은 골프 스윙을 심상화를 통해 연습할 때, 심상화 연습을 통해서 자기 수행에 대한 자신감이 증가하기 때문이라거나 실제로 골프공을 칠 때 작동하는 뇌 부위와 동일한 곳이 활성화되기 때문에 효과가 있고, 따라서 심상화 연습 이후에 실제로 자신감이 증가한다거나 해당 뇌 기능이 이전보다 효율적으로 작동한다고 설명할 수 있다. 마지막으로 이론 검증은 이론의 예측력을 통해서 이론을 평가한다. 어떤 이론이 가치 있는 이론이 되기 위해서는 기존에 관찰된 사실들에 대한 사후 설명만으로는 충분하지 않다. 이러한 사후 설명을 넘어서, 어떤 새로운 것을 예측할 수 있어야 한다. 이론은 만약 그것이 옳다면 반드시 지지가 될 수밖에 없는 가설을 생산하며 우리는 이 가설을 통해서 예측을 할 수 있다. 이론을 정확한 예측을 만들어 낼 때마다 그 이론은 지지가 되고, 이론이 예측에 실패할 때마다 그 이론은 힘을 잃는다. 만약 이론의 예측력이 떨어질 경우, 그 이론은 받아들여지지 않을 것이고 해당 현상은 다른 대안들에 의해 설명될 것이다. 어떤 이론이 기각될 때 그 이론을 만든 연구자에게는 실망스러운 일이겠지만, 과학의 진보를 위해서 그것이 반드시 나쁜 것은 아니다. 또한 좋은 이론은 반증할 수 있다. 과학적 이론에서 도출된 예측이 틀릴 경우 이론은 언제든지 기각될 수 있으며, 이처럼 언제든지 기각될 가능성을 열어두어야만 과학적 이론이 될 수 있다
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