Trí tưởng tượng không gian có vai trò quan trọng đối với học sinh trong việc học tập các kiến thức về hình học cũng như vận dụng toán học vào thực tiễn cuộc sống. Bài viết làm sáng tỏ mối liên hệ giữa ba thành tố trực quan, trí tưởng tượng không gian, tư duy toán học. Nhờ sử dụng trực quan, thông qua hoạt động quan sát học sinh tri giác đúng đắn các thuộc tính của sự vật, hiện tượng, từ đó xây dựng các biểu tượng kí ức và thông qua hoạt động tư suy hình thành các khái niệm, các quy luật. Khi có các biểu tượng kí ức, các tri thức về quan hệ không gian, học sinh có thể gián tiếp xây dựng các biểu tượng không gian mới, qua đó hình thành và phát triển trí tưởng tượng không gian. Việc xác định mối liên hệ này là cơ sở cho việc bồi dưỡng trí tưởng tượng không gian cho học sinh trong dạy học hình học ở trường trung học phổ thông.