Математическая психология — подход к психологическим исследованиям, основанный на математическом моделировании процессов восприятия, мышления, когнитивных и моторных процессов, а также на установлении математизированных правил, которые связывают количественные характеристики стимулов с количественными характеристиками реакций. Математический подход в психологии используется с целью выдвижения более строгих, формализованных гипотез. Реакция организма, поддающаяся количественной оценке, зачастую может быть зафиксирована в процессе выполнения или решения определённых задач: двигательных, когнитивных и т.д.
Поскольку количественная оценка реакции на фиксированный стимул испытуемого является фундаментальной в этом направлении психологии, теория измерений является одной из центральных тем в математической психологии. Поэтому же математическая психология тесно связана с психометрией. Однако в тех случаях, когда психометрия связана с индивидуальными различиями, математическая психология фокусируется на моделях процессов восприятия, когнитивных и моторных процессов, которые выводятся из «усредненного индивида». Кроме того, когда психометрия исследует статистическую структуру зависимости между переменными, наблюдаемыми в популяции, математическая психология фокусируется на формализации данных, полученных экспериментально, и поэтому еще более тесно связана с экспериментальной психологией / когнитивной психологией.
Математические психологи активно работают во многих областях психологии, особенно в психофизике, анализе ощущений и восприятия, анализе процесса решения задач и принятия решений в когнитивной психологии.