Thiết kế nghiên cứu thử nghiệm là quá trình lập kế hoạch thực nghiệm nhằm kiểm tra giả thuyết của nhà nghiên cứu. Quá trình thiết kế nghiên cứu được thực hiện trong nhiều loại hình nghiên cứu khác nhau, bao gồm cả nghiên cứu thực nghiệm.
Trước khi tiến hành một thử nghiệm nghiên cứu, các nhà nghiên cứu thuộc mọi loại, bao gồm nhà tâm lý học, nhà sinh học và nhà vật lý, thường đưa ra một thiết kế nghiên cứu. Thiết kế giúp nhà nghiên cứu đi đúng hướng và đảm bảo rằng tất cả các cơ sở đang được che phủ đúng cách để đảm bảo tính hợp lệ của thử nghiệm. Thiết kế nghiên cứu thực nghiệm có thể được xem như một bản thiết kế hoặc một tài liệu hướng dẫn mà các nhóm nghiên cứu sẽ tuân theo trong quá trình thực nghiệm. Thiết kế này thường là chủ đề nghiên cứu của các giáo sư và những người bình duyệt, những người cần hiểu cách thực hiện nghiên cứu thử nghiệm để xác định tính hợp lệ và thành công của nó.