Вычисли́тельный экспериме́нт, эксперимент (испытание, опыт, тест), проводимый не над исходным реальным объектом, а над математической (информационной, имитационной) моделью объекта с помощью вычислительных и логических процедур, осуществляемых соответствующими программными средствами на вычислительных системах (компьютерах). Близкими к вычислительному эксперименту понятиями являются численный, математический, имитационный и симуляционный эксперименты на компьютерах.

Вычислительный эксперимент служит основным инструментом математического моделирования, соединяющим в себе сильные стороны традиционных теоретических и экспериментальных методов и позволяющим на основе имеющихся моделей и программных средств проводить направленные исследования крупных научных, технических, экологических и социально-экономических задач. Работа не с самим объектом (явлением, процессом), а с его моделью позволяет относительно быстро, безопасно и без существенных затрат исследовать его свойства и поведение в любых ситуациях. В то же время вычислительный эксперимент над адекватными моделями позволяет подробно и глубоко изучать объекты в достаточной полноте, недоступной чисто теоретическим подходам. Например, вычислительный эксперимент с моделями летательных аппаратов существенно сокращают число и сроки реальных экспериментов над ними в аэродинамических трубах, дают полную количественную картину их обтекания воздушным потоком при любых скоростях и углах атаки, позволяют выбирать конструкции с нужными свойствами; из вычислительных экспериментов, использующих модели распространения загрязнений окружающей среды, определяются экологически допустимые способы размещения и режимы функционирования промышленных предприятий; вычислительные эксперименты с моделями экономических систем являются одним из основных методов прогнозирования динамики социально-экономических показателей.

При проведении крупномасштабных вычислительных экспериментов различают две фазы: отладку, настройку, калибровку моделей и программ; компьютерные эксперименты с моделями как с самостоятельными объектами, заменяющими исходные.

Осуществление полномасштабных вычислительных экспериментов невозможно без опоры на теоретические методы исследования математических (в основном нелинейных) моделей, на современные достижения вычислительной математики, системного и прикладного программирования и информатики.

Элементы вычислительного эксперимента использовались уже в Древнем мире при решении строительных и гидротехнических задач. В связи с успехами математики, механики, астрономии и появлением элементарных вычислительных средств (таблицы логарифмов, первые вычислительные устройства) сфера применения вычислительных экспериментов расширилась. Примером вычислительного эксперимента может служить открытие планеты Нептун в результате вычислений (У. Леверье, 1846). В 1-й половине 20 в. вычислительные эксперименты использовались при проектировании некоторых строительных и авиационных конструкций. Появление первых электронно-вычислительных машин в конце 1940-х – начале 1950-х гг. привело к бурному развитию вычислительных экспериментов в СССР и США в целях реализации ракетно-ядерных программ. В 1960–1970-х гг. сфера применения вычислительных экспериментов расширялась, охватывая не только фундаментальные науки и специальные приложения, но и области, связанные с производством продукции гражданского назначения (автомобилестроение, бытовая техника, создание и производство лекарств и др.). В этот период произошло выделение круга вопросов, связанных с вычислительными экспериментами, в самостоятельное научное направление, в СССР впервые зарегистрировано открытие, сделанное на основе вычислительного эксперимента – «эффект Т-слоя» (Государственный реестр открытий СССР, 27 февраля 1968, № 55); возникли новые научные дисциплины – вычислительная физика, вычислительная биология и др. В 1980–1990-х гг., в связи с появлением персональных компьютеров и дальнейшим усовершенствованием моделей и программных средств, вычислительные эксперименты стали доступными широкому кругу учёных, инженеров, конструкторов, а также специалистов, обеспечивающих создание и функционирование систем поддержки принятия решений, в том числе в гуманитарной сфере. Возникла развитая инфраструктура поддержки вычислительных экспериментов.