所謂數學思維，是從屬於一般思維但又區別於一般思維的概念。一般學者認為「思維的本質是人的意識對事物的特性、聯繫和關係概括的和間接的反映」。但是，思維的含義並不僅僅如此，我們也可以從哲學、思維科學、心理學、認識論的角度來闡述。
「數學思維是人腦和數學對象（空間形式、數量關係、結構關係）交互作用並按照一般思維規律認識數學內容的內在理性活動。」這是學者們對數學思維的書面闡述。通俗一點來講，數學思維是一種有數學特色的思維方式，主要表現在思維活動的運演方面。
具體而言，這種思維方式有三個特點：概括性、問題性和相似性。概括性即對全局的一種理性把握；問題性包括為什麼，以及問題的構造和解決方案；相似性則是指思維成果上的相似性、一致性、不矛盾性，就是不同於其他學科的思維成果的地方。這三個具有特殊意義的特點只有深刻理解數學思維魅力的人才能透澈理解。
對這種思維方式有了概念性的瞭解後，我們將對它的與眾不同之處做個簡單展示。自古以來，人們對事物的認識都有很多種方法，數學思維並不是唯一的方法，也不能說是最好的方法。但實踐卻證明這是一種獨一無二，有著自己獨到優勢的方法。比如，量化思想就是數學思維的一個比較明顯的表現。這點可以拿一根燃燒的蠟燭來舉例說明，一般的人可能不會發現一根燃燒的蠟燭有什麼問題，但是懂化學知識或對化學知識感興趣的人卻可能關注蠟燭燃燒的化學和物理反應；學習物理的人則可能會關注蠟燭的亮度問題；而習慣運用數學思維的人最有可能關注蠟燭的燃燒量與時間的關係問題。
數學思維與形象思維和直覺思維息息相關。有專家認為，形象思維先於語言（思維），也先於抽象思維，自然也先於數學思維。例如，沒有鴿子的爭食，數學家就不會發現博弈論數學模型。
因此，我們可以這樣說，數學思維是活動的數學，是生活的數學，是精確、量化和模式的思維。