Theo quan điểm của nhà khoa học nhận thức,hoạt động tư duy phê phán thực sự bao gồm 3 loại tư duy: lý luận, đưa ra phán đoán và quyết định, giải quyết vấn đề. Tư duy phê phán, có ba đặc điểm chính: hiệu quả, mới lạ và tự định hướng. Tư duy phê phán có hiệu quả ở chỗ nó tránh được những cạm bẫy thông thường, chẳng hạn như chỉ nhìn thấy một mặt của vấn đề, giảm giá bằng chứng mới không xác nhận ý tưởng của bạn, lý luận từ đam mê thay vì logic, không ủng hộ các tuyên bố bằng chứng, v.v. Tư duy phản biện là cần thiết ở chỗ bạn không chỉ cần nhớ một giải pháp hoặc một tình huống đủ tương tự để hướng dẫn bạn. Ví dụ, giải quyết một vấn đề vật lý phức tạp nhưng quen thuộc bằng cách áp dụng thuật toán gồm nhiều bước không phải là tư duy phê phán vì bạn đang thực sự vẽ lên bộ nhớ để giải quyết vấn đề. Nhưng nghĩ ra một thuật toán mới là tư duy phê phán.
Vì khả năng suy nghĩ phê phán là mục tiêu chính của giáo dục, nên không có gì ngạc nhiên khi mọi người cố gắng phát triển các chương trình có thể trực tiếp dạy học sinh suy nghĩ phê phán mà không đắm chìm trong bất kỳ nội dung học thuật cụ thể nào. Nhưng bằng chứng cho thấy các chương trình như vậy chủ yếu cải thiện suy nghĩ của học sinh với các loại vấn đề mà họ đã thực hành trong chương trình, không phải với các loại vấn đề khác. Khả năng suy nghĩ phê phán phụ thuộc vào việc có kiến thức nội dung đầy đủ để có thể suy nghĩ chín chắn về các chủ đề mà bạn biết ít hoặc giải quyết các vấn đề mà bạn không biết đủ để nhận ra và thực hiện loại yêu cầu từ lớp học hoặc các chương trình bên ngoài.