人们使用的一个早期的步骤是测量反应速度，它是一种新的、心理学物理方面的定量方法，被称为心理物理学。心理物理学观察的是刺激的物理特性及其与感知的关联，它在现代技术中有许多应用。例如，在测量我们可以辨别的颜色数量上，它使研究人员开发出了对图像的最佳压缩算法。
描绘出差异
如果一种声音刚开始时低于人类的听觉阈值，那么在其音量稳步增长时一定会有一个点，你会从那个点开始注意到它。在那之前，这种声音可能会对你有某种潜意识的影响，但是你并没有听到它。同样，如果你注意到两种稍微不同的刺激，你就能看出它们有一个点是不同的。如果它们太过相似，你就很难将它们区分开。第一个尝试量化感知阈值的人是一名德国医生，同时也是实验心理学的奠基人之一，他就是19世纪30年代在德国莱比锡工作的恩斯特·海因里希·韦伯（Ernst Heinrich Weber，1795年—1878年）。
韦伯从重量开始探索了人们能观察到的刺激差异量。他要求人们拿起重量不同的东西进行比较，并报告哪个最重。他发现，人们拿的物品的实际重量必须有3%的差异，才能在感觉上区分出重量不同，所以的确存在一种“最小可觉差”（just noticeable difference，JND）。所以，如果一个人的体重是100克，那么第二次称体重需要比第一次重3克或轻3克才能被检测出有差异。如果一个人重1千克，那么第二次称体重则需要比第一次重30克或轻30克才能感觉到重量不同。他发现，不同的感觉有不同的差别阈值。例如，在比较两条线段的长度时，它们必须至少有1%的差异才能被人感知；又如，音高需要至少有0.6%的差异才能被人感知，等等。
韦伯定律指出：
ΔR/R=k
其中，
ΔR=最小可觉差（或JND）
R=现有的刺激量（德语称为Reiz）
k=常数（每种感觉不同）
他也研究了其他几种感觉差别阈值。他用罗盘点测量了能觉察到的两个皮肤触摸点之间的最短距离，以及把两个皮肤接触点感觉为一个皮肤接触点的距离。这个研究是心理学史上的一个里程碑，因为它表明，人的心理的某些方面还是可以使用量化科学的方法来进行研究的。心理物理学为人们将实验心理学作为研究领域奠定了基础。
跨越门槛
韦伯的工作由古斯塔夫·费希纳（Gustav Fechner，1801年—1887年）继续进行。起初，他为了成为一名物理学家而学习相关课程，但却由于研究颜色和视觉时眼睛受到了损害而辞去了教职。他把研究兴趣转移到了感知的心理过程上。作为一名中立一元论者，他认为身体和意识的行为是一种单一现实存在的不同方面，并着手寻找不同方面之间的数学关系。他想通过某种方式来解决心—身问题，这种方式既可以满足唯物主义者，也可以支持自己的观点，即意识在宇宙中无处不在。
费希纳将能被刺激注意到的点定义为“绝对阈值”。在这一点下，刺激可能仍然起作用，但人们却意识不到。由于刺激无法测量，他就从绝对阈值开始研究。他的工作成果是得出了韦伯—费希纳定律，这是韦伯定律的一个提升版：“为了增强感觉强度，使其呈现算术级数的增长，物理刺激的强度必须呈几何级数的增加。”
这意味着刺激强度和产生的感觉强度之间存在对数关系（对数标度被用来测量有关现象的、非常广泛的变化，如地震的里氏震级或声音的分贝数）。
S=k log R
其中，S是感觉，R是刺激。
假设我们发现，刺激强度增强3倍，就会导致感觉强度增强2倍。如果我们再把刺激强度提高3倍，就会感觉强度像之前一样增加，现在的强度是原来的3倍（尽管刺激的强度现在是原来的9倍）。刺激强度再次增强3倍，使我们感觉强度只是原始刺激强度的4倍，以此类推。
费希纳觉得自己已经达到了目的，他展示了物理刺激和心理反应之间的一个可衡量的联接。现代的研究结果并不完全符合费希纳的“定律”。
1860年，他的研究结果发表在《心理物理学元素》（Elements of Psychophysics）一书中，这是使用定量的科学方法来研究心理现象的一个早期的尝试，一些评论家把它看作心理学这门科学的开端。另外一些人认为，科学心理学建立的标志是威廉·冯特建立了世界上第一个实验心理学实验室（详见第3章“冯特的奇妙发明”的内容）。
黄金矩形与分裂意识
在费希纳的其他研究中，他还有一项美观外形的研究发现。人们觉得，正方形的边长比例为0.62最具有吸引力，这种比例符合黄金比例和斐波那契数列。从一个向日葵种子的排列模式到鹦鹉螺壳的比例，自然界处处都有这种比例的存在。他还认为，如果大脑能够沿着胼胝体（一条联接两个半球的纤维带）分裂，那么就有可能有两种独立的意识流。费希纳怀疑这样的实验可能永远也不能进行，但在20世纪60年代，神经心理学家罗杰·斯佩里（Roger Sperry，1913年—1994年）和心理学家迈克尔·格詹尼加（Michael Gazzaniga，生于1939年）发现费希纳是正确的，他们将癫痫患者的胼胝体切断来治疗其疾病。
笔名米塞斯博士
费希纳在自己发表的小册子或文章提出了泛灵论的观点，并讽刺了当时流行的正统观点的某些方面。由于这些观点会损害他作为一个严肃的科学家的声誉，他以米塞斯博士的笔名提出了这些观点，其中包括《天使的比较解剖学》（The Comparative Anatomy of Angels，1825年）和《死亡后的生命》（A little Book of life After Death，1836年）。
测量思维速度
德国内科医生和物理学家赫尔曼·冯·赫尔姆霍兹（Hermann von Helmholtz，1821年—1894年）是第一个认真测量神经脉冲速度的人。他从曾经在实验中用过的青蛙开始研究，逐渐推进到对人类的研究，发现了反应时间取决于脉冲的传播距离。1849年，他做了一个实验，在实验中，他刺激了一名人类被试的腿，并要求被试在感觉到刺激的时候按键。当他刺激被试的脚趾时，其反应时间要比刺激大腿时的时间长。他得出结论，人类的神经脉冲传播速度是每秒27米。而实际上，人类最快的神经传递速度比赛车更快，大约是每小时430千米（或每秒110米）；其他的神经传递速度可能会慢一点，最低的神经传递速度大约是每秒50米。比测量出多变的神经传递速度更重要的是，他证明了神经传递速度这一事实本身是存在的。许多人都相信信息传递是瞬时的，特别是有些人认为，只有上帝才能认识到人类的行动意图。
赫尔姆霍兹也对穆勒的发现感兴趣，即不同的感觉器官只能产生同种类型的感觉。因此（例如），如果人的眼睛受到打击，就会看到“星星”。因为所有的眼睛/大脑神经只能将眼睛接收到的信息加工成视觉图像，这是视觉器官——眼睛应做的工作，即使眼睛接收到的这些并不是最恰当的反应。赫尔姆霍兹从“这是为什么”以及“这是如何发生的”出发，雄心勃勃地想追踪所有的生理过程，这些生理过程涉及从感觉神经接收刺激的瞬间到这种感觉被识别出来。这是一项人们至今尚未完成的任务。
脑内的活动
在赫尔姆霍兹的实验过去15年后，荷兰生理学家弗朗西斯·唐德斯（Franciscus Donders，1818年—1889年）决心对反应时进行更复杂的测量。除了测定一个被试对一种刺激做出反应需要多长时间之外，他还增加了刺激数。首先，他使用了一系列的刺激，并要求被试忽视其他的刺激，只对其中一种刺激做出反应。接下来，他又使用了一系列刺激，要求被试对每种刺激都做出不同的反应。被试必须识别每种刺激，并做出正确的反应。他发现，最简单的刺激/反应任务的反应时最快，其次是区分刺激的任务，而需要鉴别和选择的任务反应时最慢。他计算了对刺激进行鉴别、选择以及反应的时间，并对完全发生在大脑内部的活动进行测量。
唐德斯的实验让研究者用实验数据推断脑内（或精神）活动成为可能。这一舞台是为实验心理学准备的，第一个踏上这一舞台的人是威廉·冯特。