Tính không rõ ràng của thuật ngữ “mô hình”, số lượng khổng lồ các loại mô hình hóa, cùng với sự phát triển nhanh chóng của chúng hiện nay khiến việc xây dựng một hệ thống phân loại mô hình đầy đủ về mặt logic và làm hài lòng tất cả mọi người trở nên khó khăn. Bất kỳ cách phân loại như vậy đều mang tính quy ước, vì một mặt nó phản ánh quan điểm chủ quan của các tác giả, mặt khác phản ánh những giới hạn hiểu biết của họ trong một số lượng hữu hạn các lĩnh vực nghiên cứu khoa học.
Cách phân loại được trình bày ở đây nên được xem là một nỗ lực xây dựng một công cụ — hay một mô hình — để nghiên cứu các thuộc tính và đặc điểm của chính quá trình mô hình hóa. Mô hình hóa là phương pháp nghiên cứu khoa học tổng quát. Việc sử dụng mô hình hóa ở cả cấp độ thực nghiệm và lý thuyết của nghiên cứu dẫn đến sự phân biệt truyền thống giữa mô hình vật chất (mô hình vật lý) và mô hình trừu tượng (mô hình lý tưởng).
Mô hình hóa vật lý là việc nghiên cứu một đối tượng bằng cách sử dụng một tương tự vật chất tái tạo các đặc điểm vật lý, hình học, động lực học và chức năng chính của nó. Các loại chính của mô hình hóa vật lý là mô hình hóa nguyên mẫu (tỷ lệ thực) và mô hình hóa tương tự. Cả hai loại đều dựa trên các thuộc tính của sự tương tự hình học hoặc vật lý.
Mô hình hóa trừu tượng khác với mô hình hóa vật lý ở điểm nó không dựa trên một sự tương tự vật chất hóa giữa đối tượng và mô hình, mà dựa trên một sự tương tự lý tưởng, mang tính khái niệm, và luôn có tính chất lý thuyết. Mô hình hóa trừu tượng có tính sơ khởi so với mô hình hóa vật lý: trước tiên, một mô hình lý tưởng hình thành trong tâm trí con người, và chỉ sau đó một mô hình vật lý mới được xây dựng dựa trên nó.
Các loại chính của mô hình hóa vật lý là mô hình hóa nguyên mẫu và mô hình hóa tương tự. Cả hai đều dựa trên các thuộc tính của sự tương tự hình học hoặc vật lý. Hai hình hình học tương tự nhau nếu tỷ số của tất cả các độ dài và góc tương ứng là như nhau. Nếu hệ số tương tự — tỷ lệ — đã biết, thì kích thước của một hình có thể được nhân với hệ số tỷ lệ để xác định kích thước của hình kia tương tự về mặt hình học. Hai hiện tượng vật lý tương tự nhau nếu, với các đặc điểm đã biết của một hiện tượng, các đặc điểm của hiện tượng kia có thể được suy ra bằng một phép chuyển đổi đơn giản, tương tự như việc chuyển từ một hệ thống đơn vị đo lường sang một hệ thống khác. Việc nghiên cứu các điều kiện tương tự giữa các hiện tượng là lĩnh vực của lý thuyết tương tự.
Mô hình hóa nguyên mẫu là mô hình hóa trong đó một đối tượng thực được biểu diễn bằng một tương tự vật chất được phóng to hoặc thu nhỏ, phù hợp để nghiên cứu (thường trong điều kiện thí nghiệm), với việc chuyển giao sau đó các thuộc tính của các quá trình và hiện tượng được nghiên cứu từ mô hình sang đối tượng dựa trên lý thuyết tương tự.
Mô hình hóa tương tự là mô hình hóa dựa trên sự tương tự giữa các quá trình và hiện tượng có bản chất vật lý khác nhau nhưng được mô tả về mặt hình thức theo cùng một cách (bằng các quan hệ toán học, sơ đồ logic và sơ đồ cấu trúc giống nhau). Mô hình hóa tương tự dựa trên sự trùng khớp của các mô tả toán học giữa các đối tượng khác nhau.
Mô hình vật lý và mô hình tương tự là những phản ánh vật chất của một đối tượng thực và liên kết chặt chẽ với đối tượng đó qua các đặc điểm hình học, vật lý và các đặc điểm khác. Trong thực tế, việc nghiên cứu các mô hình loại này đồng nghĩa với việc tiến hành một loạt các thí nghiệm vật lý, trong đó đối tượng thực được thay thế bằng mô hình vật lý hoặc mô hình tương tự của nó.
Mô hình hóa trừu tượng được chia thành hai loại chính: mô hình hóa trực giác và mô hình hóa khoa học.
Mô hình hóa trực giác là mô hình hóa dựa trên một quan niệm trực giác (không được biện minh theo quan điểm logic hình thức) về đối tượng đang được nghiên cứu — một quan niệm không phù hợp để hình thức hóa hoặc không cần hình thức hóa. Ví dụ sinh động nhất về một mô hình trực giác của thế giới xung quanh là kinh nghiệm sống của con người. Bất kỳ tri thức thực nghiệm nào thiếu sự giải thích về nguyên nhân và cơ chế của hiện tượng được quan sát cũng nên được coi là trực giác.
Mô hình hóa khoa học luôn được biện minh về mặt logic, sử dụng số lượng giả định tối thiểu được chấp nhận làm giả thuyết dựa trên các quan sát về đối tượng đang được mô hình hóa.
Sự khác biệt then chốt giữa mô hình hóa khoa học và mô hình hóa trực giác không chỉ nằm ở khả năng thực hiện các phép toán và hành động cần thiết liên quan đến việc mô hình hóa, mà còn ở việc hiểu các cơ chế “bên trong” được sử dụng. Có thể nói rằng mô hình hóa khoa học không chỉ biết cách mô hình hóa mà còn biết tại sao phải làm theo một cách cụ thể như vậy. Cần phải nhấn mạnh rằng trực giác và các mô hình trực giác đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong khoa học — không có tri thức mới thực sự nào có thể đạt được mà thiếu chúng. Loại tri thức này không thể đạt được chỉ bằng các phương pháp logic hình thức.
Mô hình hóa trực giác và mô hình hóa khoa học (lý thuyết) không nên bị đặt đối lập với nhau. Chúng bổ sung tốt cho nhau, mỗi loại chiếm một phạm vi ứng dụng riêng của mình.
Mô hình hóa ký hiệu là mô hình hóa sử dụng các biểu diễn dựa trên ký hiệu, như sơ đồ, đồ thị, hình vẽ và tập hợp các ký hiệu, cùng với các quy luật và quy tắc chi phối việc sử dụng chúng. Ví dụ về các mô hình như vậy bao gồm bất kỳ ngôn ngữ nào — chẳng hạn, ngôn ngữ giao tiếp nói và viết của con người, các ngôn ngữ thuật toán, v.v. Hình thức ký hiệu được sử dụng để truyền tải cả tri thức khoa học và tri thức trực giác. Mô hình hóa bằng các quan hệ toán học cũng là một ví dụ về mô hình hóa ký hiệu.
Tri thức trực giác là một nguồn sinh ra tri thức mới. Tuy nhiên, không phải tất cả các giả thuyết và ý tưởng đều đứng vững trước sự kiểm chứng sau đó bằng thực nghiệm và bằng các phương pháp logic hình thức đặc trưng của tiếp cận khoa học — thứ đóng vai trò như một bộ lọc để nhận diện những tri thức giá trị nhất.