L’expérimentation animale consiste à utiliser des animaux comme substituts ou « modèles » pour mieux comprendre la physiologie d'un organisme et ses réponses à divers facteurs (alimentation, environnement, agents pathogènes) ou substances (pour en tester, vérifier ou évaluer l'efficacité, l'innocuité ou la toxicité). Il s'agit généralement de tenter de prévoir ce qui se passe chez l'espèce humaine sans exposer de personnes humaines aux risques, aux contraintes et aux souffrances (douleurs et/ou stress) susceptibles d'être générées par les expérimentations.
Historiquement, la vivisection est apparue durant l'Antiquité. Après une absence relative au Moyen Âge, elle a été explorée à nouveau durant la Renaissance, puis systématisée au XIXe siècle, en particulier sous l'impulsion des physiologistes français tels que Claude Bernard. L'apparition de la bactériologie et des sérums à la fin du XIXe siècle a marqué un tournant paradigmatique et la naissance de l'expérimentation animale dans les diverses formes qu'on lui connait aujourd'hui. Depuis le XXe siècle, une grande majorité des expérimentations se font sur des souches spécifiques de rongeurs utilisés comme modèles – et en particulier des souris.
En 2010, la directive européenne 2010/63/UE a remplacé la directive 86/609/CEE qui était en vigueur depuis 1986. La nouvelle directive a mis en avant le principe des 3R, instauré de nouvelles obligations (comités d'éthique pour l'évaluation des projets, résumés non techniques à destination du grand public) et approfondi d'autres dispositions (conditions de détention minimales, formation du personnel), sans encadrer cependant ces prescriptions par des sanctions dissuasives dont l'application serait commune partout au sein de l'Union. Tous les États membres ont transposé cette directive dans leur réglementation, avec des sanctions plus ou moins bien définies (en France, il s'agit d'amendes allant de quelques centaines d'euros jusqu'au retrait d'agrément). D'autres réglementations existent en dehors de l'Union européenne (Suisse, États-Unis, Australie, Japon...), la plus ancienne étant l'amendement du Cruelty to Animals Act, 1876 (en) en Angleterre.
Environ dix millions de vertébrés et de céphalopodes sont utilisés chaque année dans les laboratoires des États membres de l'Union européenne, auxquels s'ajoutent dix millions d'animaux élevés et morts ou tués hors utilisation expérimentale. Ces chiffres sont connus pour chaque État membre de l'UE (deux millions d'utilisation et deux millions d'animaux morts hors utilisation chaque année pour la France), mais beaucoup plus difficiles à évaluer pour de nombreux autres pays dont les recensements statistiques sont encore moins exhaustifs. Tous ces animaux sont utilisés majoritairement pour la recherche fondamentale, la recherche appliquée, les tests réglementaires de toxicité et la production de routine de substances telles que les anticorps.
De nombreuses controverses existent autour de l'expérimentation animale. Il s'agit de débats épistémologiques (notamment autour de la validité des modèles animaux et le développement des méthodes de substitution (en)), philosophiques (en éthique animale, en philosophie morale et en philosophie politique), juridiques (la réglementation cherchant à la fois à protéger les animaux et ne pas freiner la recherche médicale), et pragmatiques (concernant notamment l'application de la réglementation). Bien qu'il soit difficile d'étudier l'opinion publique de manière rigoureuse, de nombreuses actions collectives et politiques (Initiatives citoyennes européennes, votations, manifestations, propositions de loi...) attestent d'un engagement relativement important du public sur ce sujet, notamment lorsqu'il s'agit d'utiliser les animaux pour tester des produits du quotidien (en particulier les cosmétiques (interdiction dans l'EU depuis 2013)).
Les traces les plus anciennes de l'expérimentation animale remontent au moins à l'Antiquité sous la forme de la vivisection. Au IVe siècle avant l'ère commune, plusieurs sectes médicales s'opposent à Alexandrie concernant la meilleure manière d'accéder à la connaissance. Les dogmatistes n'hésitent pas à pratiquer la dissection et la vivisection des animaux (humains ou non), tandis que les empiriques pensent que ces pratiques dénaturent le fonctionnement du corps et ne peuvent donc fournir aucune connaissance. Ils y préfèrent donc l'observation des personnes qu'ils traitent, dans le cours du traitement. La vivisection utilisée à des fins de recherche donne lieu à des préoccupations d'ordre éthique. Au IIIe siècle avant l'ère commune, Théophraste (qui succède à Aristote à Athènes) dénonce l'injustice de la vivisection animale en se fondant sur le fait que les animaux utilisés peuvent souffrir au même titre que les personnes humaines.
Au IIe siècle de l'ère commune, une déclamation condamne la vivisection humaine quels que soient les résultats attendues : « l’exercice de la médecine ne permet pas de tuer une personne pour sauver la vie d’une autre » et « une action criminelle en soi ne peut se justifier par des effets bénéfiques collatéraux ». Cette déclamation n'aborde pas explicitement le sujet de la vivisection animale. À cette époque, Galien pratique les dissections et les vivisections d'animaux pour étudier l'anatomie, sur laquelle il produira de nombreux écrits. Il n'attribue aux animaux qu'une conscience et une sensibilité très limitées à la douleur mais pose des restrictions esthétiques sur ses pratiques. Ainsi, il s'interdit d'intervenir sur les organes génitaux des animaux et de disséquer des animaux en position dressée. Lors des spectacles publics de vivisection, il préfère les cochons aux primates, ce qui lui permet d'en tirer des cris impressionnants pour le public tout en évitant la ressemblance trop grande avec le corps humain et la mauvaise odeur qu'il attribue aux primates.
Au cours du Moyen Âge, l'expérimentation animale persiste sous la forme d'observations zoologiques et de dissections. Ainsi au XIIe siècle, Abu Hamid al-Gharnati (en) profite de ses voyages pour manipuler les animaux qu'il rencontre de diverses manières, allant jusqu'à les éviscérer pour observer leurs entrailles. Au XIIIe siècle, Frédéric de Hohenstaufen expérimente autour de la fauconnerie : pour vérifier une idée répandue selon laquelle les vautours se repèrent de loin à l’odorat, il coud les paupières de faucons (technique fréquente en fauconnerie, on parle de « ciller ») et leur lance des morceaux de viande ou des poussins vivants pour voir s’ils vont les manger. Entre le XIIIe siècle et le XVe siècle, des légendes urbaines donnent lieu à d'autres tests de ce type sur les animaux. Par exemple, face à l’idée que les autruches pourraient digérer n’importe quoi, de nombreuses personnes vont tenter de leur proposer (ou de leur faire avaler de force) de petits objets en fer, comme des pièces ou des clous.
Quant au monde arabe, il y existe une tension entre la mauvaise considération des dissections et vivisections et l'importance accordée à l'obtention du savoir. De plus, les médecins étant souvent au service de princes, la loi passe au second plan face aux envies de ces derniers. Des ménageries s'installent donc dès le IXe siècle pour réaliser des expériences pharmacologiques et médicales notamment sur des primates.
Au XVIe siècle, avec la redécouverte des Procédures anatomiques de Galien, les chercheurs s'intéressent à nouveau à la dissection et à la vivisection dans un but d'exploration anatomique et de recherche médicale. Même Léonard de Vinci, pourtant végétarien, pratique la dissection et la vivisection d'animaux au service du réalisme de son art. Au XVIIe siècle William Harvey reproduit des centaines de dissections et de vivisections. Tout au long de la Renaissance, les démonstrations publiques de vivisections et de dissections côtoieront les ours dansants, les combats d'ours et de chiens, les tortures de chats et autres spectacles mettant en scène la souffrance des animaux. Ainsi Realdo Colombo, professeur d'anatomie italien au XVIe siècle, raconte comment les membres du clergé furent impressionnés par la manière dont une chienne surmontait sa propre douleur pour tenter de réconforter ses chiots torturés devant elle par Colombo qui venait de les extraire de son ventre par césarienne.