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当儿童进入下一发展阶段——具体运算阶段（concrete operations stage）时，他们的思维再一次发生了戏剧性的变化。这一阶段从7岁左右持续到大约11、12岁。这时，儿童能注意的信息比以前要多得多，因此，能同时考虑一种情形的多个方面。皮亚杰把儿童思维的这一特点称为去中心化，以对比于前运算阶段儿童思维的中心化。具体运算阶段的儿童还能注意到转化的过程，而不仅仅是初始和最终的状态。
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守恒任务为我们提供了一个熟悉的例子。达到数量守恒的儿童超越了自身的知觉，认识到某些变化（例如，数目或液体量的变化）只能通过增添或拿走这样的转化才会产生，而不能由另外的转化（例如，把距离拉开或改变形状）产生。皮亚杰认为这样的儿童思维已显示出可逆性。一个具体运算阶段的儿童能够（前运算阶段的儿童就不能）建立关于转化以及转化“逆运算”（将棋子移动到原来的位置，把液体倒回原来的容器）的心理表征，并运用这些知识来正确地判断液体的相对数量。
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另一种在具体运算阶段发展成熟的能力是分类。较小的、处于前运算阶段的儿童很难前后一致地把一组物体归入不同的类别（例如，圆的、方的；或蓝的、红的）。儿童很难保持一个稳定的分类依据。一开始他可能根据形状来将积木进行分类，但在任务中途又开始根据颜色来分，最后得出的组别会包括不同形状、颜色的积木。而较大的、处于具体运算阶段的儿童能做到前后一致，从而能更好地完成任务。
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与更小的儿童相比，典型的具体运算阶段的儿童思维似乎已十分成熟；然而，这个发展阶段仍然有局限性存在。具体而言，这一阶段的儿童难以用抽象的方式进行思考，其思维局限于真实的或想象中的具体事物上。而且与年龄更长的青少年相比，他们的思维也缺乏系统性。
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4.形式运算阶段
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认知发展的最后一个阶段始于青春期前后，称为形式运算阶段（formal operation stage）。青少年的思维表现出更多的系统性。例如，给他们几个装有不同液体的烧杯，然后问他们如何将这些液体混合以产生某种颜色的液体，青少年会做出许多年幼儿童不能做的事情。首先，他们会按所有可能的方式把液体混合，并且常常是有系统地进行。他们每次试验一种组合，并记录结果。他们能更好地将一个因素分离出来，使其他因素保持不变，并精确地报告结果。这可能就是为什么在自然科学的课堂上初中和高中学生比年纪更小的学生在设计和实施实验的能力上更出色的原因。
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形式运算阶段的思维者还能比具体运算阶段的思维者进行更为抽象的思考。这时，青少年把现实看成是各种可能性中的一种，并能够想象其他可能的现实存在。这一思维上的新解放是青少年理想主义和政治觉醒的来源之一。青少年对不同可能性的觉察为他们开拓了许多不同的通往未来的可能之路，因为他们可以“打破旧有的限制进行思考”（Moshman，2005）。
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皮亚杰认为，科学实验中最为需要的假设和演绎推理能力，要到形式运算阶段才会发展起来。
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一般而言，青少年还在逻辑思维方面胜年幼儿童一筹。这一部分归功于他们抽象思维的能力和根据任意命题进行推理的能力，例如“如果所有的X都是Y，且没有一个Y是Z的话，则至少一些X不是Z。”与年幼的儿童不同，青少年能够理解推理中的逻辑必然性。即指在一些论证中，如果前提为真，则结论也肯定为真（Moshman，2005）。
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逻辑思维还衍生出一种新的能力，皮亚杰称之为反省抽象（Piaget 1964/1968）。青少年第一次能够仅通过对自己的思想进行思考并对这些反思加以抽象，从而获得新的知识和理解。通过反省抽象，他们开始注意到自己信念中有不一致的地方存在。反省抽象在思维的其他领域也很有用，特别是在社会性和道德思维中。此时，青少年能够很容易地了解他人的立场，并尝试按其他人的方式思考问题。
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虽然皮亚杰（1972）认为所有青少年都能达到形式运算的思维水平，但对于这个问题一直存在许多争论。不过，皮亚杰并不认为达到这一发展阶段的人总能展现出最佳的思维能力。而是认为达到形式运算的青少年具备抽象、系统、富于逻辑地进行思考的能力，尽管他们不总是如此。
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皮亚杰的认知发展理论描述了思维如何从简单的反射发展到一个有组织、灵活而富于逻辑的内部心理结构系统，使得人们可以对各式各样的物体、事件和抽象的内容进行思考。处于任何发展阶段的儿童都拥有一套非凡的思考能力，但也往往（特别在形式运算阶段以前）面临一些思维方面的局限。使思维成为可能并对其进行组织的心理结构，是通过儿童对世界的主动探索而逐渐发展起来的。
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[1] 皮亚杰也将这一情形称为思维的“单维化”。——译者注
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认知心理学：认知科学与你的生活（原书第5版） 12.1.3 皮亚杰理论的反响
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皮亚杰的主要著作可追溯到20世纪20年代，但他在美国的声望却始建于20世纪60年代初。Halford（1989）把20世纪60年代描述成皮亚杰理论在美国的黄金时期，当时许多心理学家和教育学家纷纷寻找合适的方法，试图运用这套理论来为不同年龄的儿童和青少年设置合适的教育课程。然而，大约从20世纪70年代开始，对皮亚杰思想的热情开始消退，因为这时出现了许多与该理论推断不一致的研究（Gelman & Baillargeon，1983，and Halford，1989；Newcombe，2002，and D. Roth，Slone，& Dar，2000）。
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许多研究者关心皮亚杰研究中的方法问题。皮亚杰对感知运动阶段认知发展的报告仅仅建立在对三个婴儿的观察之上，而且还都是他自己的孩子（P.H.Miller，2011）。因此，虽然以后的研究几乎重复了他报告过的所有现象，但皮亚杰的观察究竟受到偏见和过度解释的多大影响是很难说清楚的（Ginsburg & Opper，1988）。
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在对较大儿童及成人的研究中，皮亚杰再次运用了临床法。他根据每个儿童的表现或解释调整任务或问题。虽然这种方法使用十分灵活，但同时也对研究的效度产生了威胁，尤其是实验者可能无意中潜在地向儿童提供了线索或引导性问题。
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Siegel和Hodkin（1982）指出皮亚杰式任务中还存在其他方法上的问题。许多任务要求的似乎不仅仅是去理解所研究概念的能力。例如，在守恒任务中，儿童不仅要对经历不同转化的材料进行观察，然后做出正确判断，而且要小心解释他们的回答，有时还要抵御研究者提出的相反暗示。Siegel和Hodkin指出，当研究中用不同的刺激评估某个特定的认知能力而反复向一名儿童问同样问题时，这名儿童可能会改变自己的回答，因为儿童会以为成人之所以再一次问这个问题是因为自己之前答错了。一般而言，成人只会在回答错误而不是回答正确时重复他们的问题。
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其他研究者和理论家也对皮亚杰理论的一些方面提出了疑问。许多人认为支持认知发展存在不同阶段的证据不够强（Brainerd，1978；P. H. Miller，2011）。比如，一套严格的阶段理论解释要求所有与某一阶段有关的能力表现出显著的协同性，而这一推论得不到很好的支持（Halford，1989）。另外，许多经验研究显示，幼儿有许多皮亚杰理论难以解释的能力和知识。
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不过，即使是最尖锐的批评者也承认皮亚杰做出了巨大的贡献。绝大多数研究者都推崇皮亚杰理论的广泛性，以及皮亚杰在为揭示不同发展时期儿童思维重要特点时设置任务方面所表现出的智慧。
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