Una ilusión óptica es cualquier ilusión que engaña el sistema visual humano al percibir algo que no está presente, o percibir incorrectamente aquello que está presente. Hay ilusiones fisiológicas e ilusiones cognoscitivas.
Las ilusiones ópticas pueden ocurrir de forma natural o debido a trucos visuales específicos que muestran asunciones particulares en el sistema perceptivo humano.
Un espejismo es un ejemplo de ilusión natural que configura un fenómeno óptico.
La variación en el tamaño evidente de la Luna (más pequeña cuando se encuentra en lo alto del cielo, más grande cuando está cerca del horizonte) es otra ilusión natural; no es un fenómeno óptico como comunmente se cree sino una ilusión cognoscitiva o perceptiva, aunque posiblemente se deba a un "mix" de percepción psico-física.
Las ilusiones desarrolladas o descubiertas incluyen fenómenos tales como el cubo de Necker y la matriz de Hermann. Entender estos fenómenos es útil para entender las limitaciones del sistema visual humano.
Las ilusiones fisiológicas o pasivas son aquellas alteraciones de la percepción, normales, no patológicas, provocadas por peculiaridades estructurales o funcionales del propio sistema de la percepción: las más comunes son las táctiles y las ópticas. Las más conocidas son la aparente convergencia de las líneas paralelas y la persistencia en la visión de la última imagen (afterimages o imágenes persistentes); en ésta última se basa el cine, son los efectos sobre los ojos o el cerebro del estímulo prolongado de un tipo específico de estímulo - brillo, inclinación, color, movimiento, etc. Los "afterimages" se producen cuando aún habiendo cesado el estímulo que la provoca, la imagen persiste. Un ejemplo muy conocido es el de la cara de Jesucristo. La teoría es que los estímulos viajan por trayectorias individuales y específicas de los nervios en la corteza visual para los primeros instantes del proceso visual; solamente el estímulo repetitivo de algunos canales engaña el sistema visual. Existe una patología llamada Palinopsia en la que los sujetos afectados tienden a ver imágenes prolongadas más allá de la duración del estímulo.
Las ilusiones cognoscitivas son más interesantes y mejor conocidas. Se asume que surgen por la interacción con suposiciones y asunciones aprendidas acerca del mundo y la naturaleza, llevando a "deducciones inconscientes", una idea sugerida por primera vez por Hermann Helmholtz en el siglo XIX. Las ilusiones cognoscitivas se dividen comunmente en ilusiones ambiguas, ilusiones de distorsión, ilusiones paradójicas o ilusiones ficticias. Se basan a menudo en percepciones de imágenes no correlativas con lo esperado por el proceso visual temprano. Los estereogramas se basan en una ilusión visual cognoscitiva.
Las ilusiones ambiguas se dan en dibujos u objetos que muestran cambios en su aspecto según "cómo se mire". La voluntad actúa a modo de 'interruptor' de la percepción entre interpretaciones alternativas, como es el caso del jarrón que alternativamente se puede ver como dos caras mirándose, conocido como el Jarrón de Rubin.
Las ilusiones de distorsión sor las más comunes, se caracterizan por distorsiones del tamaño, longitud, o curvatura. Son simples de realizar y fácilmente repetibles. Un ejemplo destacado es el de La ilusión del muro del Café, descrita por el Doctor Richard Gregory al observar el efecto que producían los azulejos de una pared de un Café en Bristol. Todos los dibujos que están realizados usando perspectiva son de hecho ilusiones. Otro famoso ejemplo es el de la ilusión de Mueller-Lyer.
Las ilusiones paradójicas se generan por objetos que son imposibles o paradójicos, por ejemplo el triángulo de Penrose o las escaleras imposibles, vistas, por ejemplo, en el trabajo de M. C. Escher. El triángulo de Penrose es una ilusión que depende de una confusión cognitiva en la que se tiende a unir los bordes adyacentes. Estas ilusiones ocurren como un subproducto de la percepción aprendida.
Las ilusiones ficticias se definen como la percepción de objetos que realmente no están allí para todo el mundo, pero sí para determinados observadores, inducidos por esquizofrenia o drogas alucinógenas. Este tipo de ilusiones se denominan más apropiadamente alucinaciones.