L'expérience est constituée d'états mentaux issus des sensations et transformés en perceptions par des opérations qu'il faut analyser afin de savoir si une vérité peut en découler. Et si oui, de quelle sorte de vérité il s'agit. Deux approches sont possibles.
Premièrement, l'empirisme. Hume, en se fondant sur l'observation de ses propres états de conscience, affirme que les perceptions sont d'abord des impressions sensibles, les « sensations, passions, émotions telles qu'elles font leur apparition dans l'âme », et ensuite viennent les idées qui sont des images atténuées des impressions sensibles. La vue d'un petit pan de mur jaune est une impression sensible, l'image qui me vient à l'esprit lorsque je lis ces mots « pan de mur jaune » est une idée. Mon esprit ne crée rien, il ne peut que se représenter ce qui lui vient de l'expérience sensible puis composer des relations entre ces idées. La raison humaine est capable de concevoir des relations entre les idées et démontrer des vérités, mais c'est le cas uniquement des mathématiques. En dehors de cela, elle ne peut que constater l'existence de faits par l'expérience. Je sens que le pain me nourrit, que le soleil me réchauffe comme je vois que les corps tombent ou que l'aimant attire le morceau de fer, sans plus. Toutes les lois de la nature et toutes les opérations des corps se connaissent seulement par expérience. Ce qui signifie que les lois de la nature sont invisibles : je ne peux avoir l'expérience que des faits visibles. Aucune vérité certaine d'une qualité équivalente à celle des mathématiques n'est possible. L'esprit n'a aucun accès à ce que sont les choses en elles-mêmes, et encore moins aux relations qui existent entre les choses, comme la causalité. L'idée de cause est une simple croyance de l'esprit, voire une illusion. Et l'illusion la plus constante chez les humains consiste à tenir leurs croyances pour des vérités. Considérer l'expérience comme source de vérité est alors une prétention intenable. « L'empirisme aurait toujours raison si les mathématiques n'existaient pas. L'empirisme est la philosophie vraie, écrit Michel Serres, dès que les mathématiques sont entre parenthèses. »
La deuxième approche, le rationalisme, bien loin de mettre les mathématiques entre parenthèses, va au contraire partir du modèle qu'elles offrent pour y trouver une méthode certaine, et surtout un fondement qui garantit que la raison humaine est la source de nos idées, de nos connaissances et donc de vérité. Qu'en est-il alors de l'expérience ? « Prenons pour exemple ce morceau de cire qui vient d'être tiré de la ruche : il n'a pas encore perdu la douceur du miel et il retient encore l'odeur des fleurs… Il est dur, il est froid […]. Mais voici qu'on l'approche du feu… Il devient liquide, il s'échauffe… La même cire demeure-t-elle après ce changement ? » Ainsi s'interroge Descartes dans ses Méditations métaphysiques. Seule la raison peut répondre en établissant, contre l'expérience sensible, la permanence de la cire : « C'est l'entendement seul qui corrige l'erreur des sens. » La perception n'a affaire qu'aux qualités secondes des choses, lesquelles sont changeantes, c'est pourquoi les sens sont réputés trompeurs. La raison est cependant capable de concevoir clairement leur qualité première, l'étendue. Elle est par conséquent la seule, grâce aux idées présentes en elle « comme l'idée de Dieu, de l'esprit, du corps, du triangle… », capable de surmonter l'obstacle des apparences sensibles. Il faut limiter le rôle de l'expérience qui n'est que de donner « occasion à notre esprit, par la faculté naturelle qu'il en a, de former des idées ». L'expérience peut être source d'erreur. Pour être source de vérité, elle doit être passée au crible du doute le plus rigoureux et ne peut jamais, en soi seule, être suffisante.

Cette opposition est-elle irréductible ? Aucune vérité ne peut-elle donc découler de l'expérience ? Kant va dans sa Critique de la raison pure résoudre ce problème en montrant qu'il y a dans la connaissance la rencontre d'éléments empiriques et de structures rationnelles. « Si toute notre connaissance débute avec l'expérience, l'expérience n'est pas pour autant sa seule source. » Nous accédons à la réalité matérielle du monde par notre sensibilité qui la reçoit à travers les formes a priori (c'est-à-dire présentes avant toute expérience) qui sont en elle : l'espace et le temps. Ce sont ces formes qui rendent possible l'expérience et qui mettent d'emblée de l'ordre dans les données de la perception : la diversité des objets présents dans le monde nous parvient sous une forme spatiale et temporelle. À quoi s'ajoutent les concepts de l'entendement, eux aussi a priori, qui sont par exemple l'idée de quantité, de causalité. La connaissance procède donc de deux sources : l'expérience sensible, par laquelle les objets nous apparaissent, et l'entendement qui les pense. L'entendement produit ainsi des jugements à partir des intuitions sensibles : ce sont les données de la sensibilité. L'entendement intervient et peut juger qu'il y a un rapport de causalité entre la proximité spatiale et la succession temporelle. Pour reprendre l'exemple du morceau de cire, la chaleur de la flamme réchauffe et assouplit la cire. C'est ce jugement qui peut alors être vrai ou faux, selon qu'il correspond ou non à la réalité.
Kant résume alors : « Des pensées sans contenu [sensible] sont vides, des intuitions [des perceptions] sans concept sont aveugles. » Désormais, la connaissance s'organise à partir d'une relation entre le « donné » et le « construit », et non plus exclusivement dans l'un ou dans l'autre. Reste à dégager à quelles conditions cette connaissance est vraie ?
C'est à l'expérience qu'il faut revenir, mais dans le sens plus strict de méthode expérimentale : l'expérimentation. L'expérience scientifique commence par l'observation d'un phénomène isolé de son contexte pour être considéré comme un fait, lui-même interrogé comme l'effet possible d'une cause invisible. Nous retrouvons ici à la fois l'empirisme attentif au fait et la catégorie de causalité présente dans l'entendement. Puis le montage de l'expérimentation et l'observation des résultats associée à la vérification amènent l'esprit à se soumettre aux faits tels qu'ils sont constatés. L'hypothèse, c'est-à-dire la question, doit accepter la réponse que donne la nature. C'est ainsi que l'expérimentation se sépare de l'expérience commune par ce que G. Bachelard appelle une « rupture épistémologique » : pour l'esprit scientifique, l'échec de l'expérience ne met pas en cause la méthode expérimentale. Il signifie qu'un problème a été mal construit, qu'un préjugé est resté tenace. C'est, par exemple, en comprenant les raisons de l'échec constant de l'expérience de Michelson et Marley, qu'Einstein a l'intuition de la théorie de la relativité.