Psichinių procesų ir būsenų tyrimas, naudojantis jų realiais (fiziniais) arba idealiais, daugiausia matematiniais, modeliais, t. y. objektų arba ženklų sistemomis, atkuriančiomis kai kurias esmines originalo sistemos savybes. Jei abi sistemos iš dalies panašios (homomorfinės), modelį galima naudoti kaip tiriamos sistemos pakaitalą arba reprezentantą. Kadangi modelis yra paprastesnis, toks pakeitimas padeda geriau įsivaizduoti originalą. Sukūrus supaprastintą sistemos modelį, galima veiksmingai patikrinti įvairių žinijos sričių teorinius teiginius. Psichologijoje modeliavimas pirmąkart buvo panaudotas atminties psichofizinėms ypatybėms ir procesams tirti. Sistemingai modeliavimą naudojo geštaltinė psichologija. Ji ieškojo visybių (geštaltų) susidarymo fizinių analogų ir tokiais analogais laikė kristalų susidarymo, plėvelių įtempimo kitimo ir panašius procesūs. Itin plačiai šį metodą psichologijoje imta naudoti XX a. 6 dešimtmetyje, kai kibernetika paskatino modeliuoti įvairius tikslingos gyvų būtybių veiklos elementus. Dar prieš kibernetikos atsiradimą mokslininkai P. Anochinas ir N. Bernšteinas (TSRS) sukūrė sudėtingų fiziologinių funkcijų žmogaus sistemų modelių, turinčių visus pagrindinius būsimų kibernetinių elgesio modelių komponentus. Per palyginti trumpą laiką buvo parengta matematinių mokymo modelių, informacinių atminties, suvokimo ir dėmesio modelių. Modeliuojama taip pat įvairiarūšė sudėtinga intelektinė veikla, pvz., šachmatų žaidimas ir kitokių uždavinių sprendimas (A. Niuelis, H. Saimonas, JAV). Ypač gerų rezultatų davė psichinių procesų nagrinėjimas pagal jų analogiją su kompiuterių operacijomis. Kai kurie mokslininkai ieško struktūrinio panašumo tarp žmogaus pažinimo ir kompiuterių blokų struktūros. Ši kompiuterinė metafora (žmogaus atminties blokas ir pan.) ypač paplitusi šių dienų kognityvinėje psichologijoje. Kiti psichologai domisi ne funkcine kompiuterio struktūra, o jo veikimo galimybėmis ir daugiausia dirba intelektikos ir mašininės regos srityse. Psichinių ir psichofiziologinių funkcijų modeliai - tai mašinų programos, kurių realizavimas priklauso daugiausia nuo pasirinktos programavimo kalbos. Sėkmingo psichinių ir psichofiziologinių procesų modeliavimo pavyzdžiai - psicholingvistiniai supratimo modeliai, atpažinimo sistemos, integraliniai darbai ir t. t. Vyrauja nuomonė, jog vien modeliavimo metodu negalima sukurti vertingų psichologijos teorijų. Formaliais modeliais paprastai nepavyksta tiksliai nusakyti turimų duomenų. Kad tų duomenų interpretavimas būtų kiek galima tikslesnis, reikia naudotis kokybinės psichologinės analizės rezultatais.