皮亚杰将青少年时期称为“形式运算阶段”，是从婴儿期到成年期认知功能发展的最后也是最高阶段。这种思维模式有几种主要的特征。首先，青少年获得这种能力来思考他们自己的思维——为了有效地应对包括推理在内的一些复杂问题。其次，他们获得这种能力来假想一种情境内隐藏的许多种可能性——为了从心理上产生一种事件许多可能的结果，这样更少地依靠于真实的物体和事件。“如果我不按照必须赶回家的时间而把父亲的车开回家的话，那么……或者……将会发生。”总之，青少年获得了用逻辑和抽象的形式去思考的能力。

形式运算思维与科学思维很相似，有些人也称之为“科学推理”。允许人们从思想上重构信息和观点，以便于他们能理解一套新的数据。通过逻辑运算，个体能够把他们在熟悉问题领域的战略技巧迁移到另一个不熟悉的领域，这样可以产生新的答案和结论。之后，他们会产生出更高水平的分析能力，来辨别不同种类事件之间的关系。

形式运算思维十分不同于以前时期的具体运算思维。皮亚杰认为，在具体运算阶段的儿童不能超越这种直接关系。他们仅限于解决当前的难题，在应对遥远的、未来的或假设的事情时都存在困难。如果呈现给青少年这个问题：“这里有三所学校，Roosevelt，Kennedy和Lincoln学校，还有三个女孩，Mary，Sue和Jane，分别去不同的学校。Mary去了Roosevelt学校，Jane去了Kennedy，那么Sue去哪里呢？他们很快会作出反应是“Lincoln”学校。而7岁的孩子可能会兴奋地回答：“Sue去了Roosevelt学校，因为我妹妹有个叫Sue的朋友，她去的就是这所学校。”（Kagan，1972，p.32）。相似地，英海尔德和她的导师皮亚杰发现，低于12岁的大多数年幼儿童不能解决以下文字问题（Inhelder & Piaget，1964，p.252）：
Edith比Suzanne肤色亮。
Edith比Lily肤色暗。
这三个当中谁肤色最暗？

12岁以下的儿童通常会得出以下结论：Edith与Suzanne都是浅肤色，而Edith和Lily都是深肤色，相应他们会说，Lily肤色最暗，Suzanne肤色最亮，而Edith居于二者之间。相反，在形式运算阶段的青少年能够正确推理出，Suzanne的肤色比Edith更暗，而Edith的肤色比Lily更暗，因此，Suzanne是肤色最暗的女孩。
皮亚杰指出，当儿童在组织和建构输入方面变得越来越熟练的时候，从具体运算到形式运算思维的过渡就会发生。这样做之后，他们逐渐意识到具体运算方式在解决真实世界中的问题时存在的不充分性（Labouvie-Vief，1986）。