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医学实验根据研究对象的不同分为动物实验和临床试验两类。它们分别以动物或生物材料和人为研究对象，在研究过程中对研究对象进行干预或处理，观察不同干预或处理的结果是否存在差异。
一般来说，在设计中应该明确3个要素：实验因素、实验对象和实验效应。
（1）实验因素
实验因素亦称为处理因素，是指研究者根据研究目的在实验中需要观察并阐明其效应的因素。影响实验结果的因素很多，实验设计时应该抓住实验中的主要因素，明确处理因素和非处理因素。处理因素要标准化，要选用适当的设计方案来控制重要的非处理因素的影响，以便有效地控制和估计误差。
（2）实验对象
实验对象亦称为受试对象，是处理因素作用的客体。受试对象的选择在医学实验中十分重要，对实验结果有重要影响，受试对象应满足两个基本条件：对处理因素敏感；反应必须稳定。
同时受试对象还应具有明确的标准，实验进行前还必须对研究对象的筛选条件做严格的规定，即明确纳入标准与排除标准，以保证它们的同质性。
（3）实验效应
实验效应是实验因素作用于受试对象后产生的变化。实验效应通过实验中所选用的指标来体现。反映实验效应的观测指标称为效应指标。选用的效应指标与要反映的问题之间应具有较高的关联性、有效性、精确性、客观性、特异性、敏感性和稳定性。
效应指标有主观指标与客观指标之分，主观指标由患者回答或医生定性判断来描述观察结果，客观指标则借助仪器等手段进行测量来反映观察结果。主观指标易受研究者和受试对象心理因素影响，因此，在选用指标时应尽量选用客观的、定量的指标。
实验设计的主要作用就是有效地排除非处理因素的干扰和影响，减少误差、提高实验的效率，使随机现象的统计规律更好地显露出来。因此在设计时还必须遵守3个基本原则，即随机化原则、对照原则及重复原则。
（1）随机化原则
随机化可以使不可控制的因素在不同的处理组中的影响较为均匀，是保证非处理因素均衡一致的重要手段。
随机不是随意，也就是说，不能由受试对象自己选择，也不能由研究者主观决定，要按照随机化的实现方法，从统计学的角度来完成。
（2）对照原则
对照是在确定接受处理因素的实验组的同时设立对照组。因为有比较才有鉴别，只有通过对比分析才能判明优劣，只有正确地设立了对照，才能将处理因素的效应充分显露出来。常用的对照方法有标准对照、相互对照、自身对照、配对对照、空白对照、实验对照和安慰剂对照等。
（3）重复原则
重复是指在相同的实验条件下的受试对象要具有一定数量。由于个体差异、观测操作方法等影响因素的存在，同一种处理对不同的受试对象（甚至对同一受试对象）所产生的效应会不尽相同。只有在大量重复实验的条件下，才能减少随机测量误差，降低实验误差，真实效应才会比较准确地显露出来。
整个实验过程中实验次数的总和称为样本含量或样本大小。样本含量过小，统计规律无法显露出来；样本含量过大，会延长实验时间，浪费人力和物力，并有可能导致系统误差的出现。因此根据医学和统计学知识合理地估计样本含量是实验设计的重要内容。
除以上3个实验设计基本原则之外，在临床试验设计中还应遵从均衡性原则、盲法原则等。