Ο σκοπός της παρούσας έρευνας είναι να εξετάσει εμπειρικά, με μαθητές ηλικίας 11-12 ετών, τη δομή καθώς και τις σχέσεις ανάμεσα στη φαντασία στα μαθηματικά, τις μαθηματικές γνώσεις και τη μαθηματική νοοτροπία. Αυτοί οι τρεις παράγοντες αποτελούν τους εσωτερικούς παράγοντες που συνεισφέρουν στη μαθηματική δημιουργικότητα, σύμφωνα με το μοντέλο της Seelig (2012). Στην έρευνα έλαβαν μέρος 217 μαθητές Στ’ δημοτικού από τρία αστικά και οκτώ αγροτικά δημοτικά σχολεία της Κύπρου. Για τη συλλογή των δεδομένων, χορηγήθηκαν τα ακόλουθα εργαλεία: (α) το δοκίμιο μέτρησης της φαντασίας στα μαθηματικά, (β) το δοκίμιο μαθηματικών γνώσεων και (γ) το ερωτηματολόγιο της μαθηματικής νοοτροπίας. Συγχρόνως, λήφθηκαν ημι-δομημένες ατομικές συνεντεύξεις από 18 μαθητές, οι οποίες αποσκοπούσαν στη μελέτη των γνωστικών διαδικασιών της φαντασίας στα μαθηματικά που εμφανίζονται καθώς οι μαθητές επιλύουν ένα μαθηματικό πρόβλημα ενόρασης. Τα ποσοτικά δεδομένα αναλύθηκαν με τη μέθοδο ανάλυσης Μερικών Ελάχιστων Τετραγώνων (PLS-SEM), ενώ τα ποιοτικά δεδομένα με τη μέθοδο της αναλυτικής επαγωγής. Τα αποτελέσματα της διατριβής έδειξαν ότι: (α) Η φαντασία στα μαθηματικά είναι μια πολυδιάστατη εννοιολογική οντότητα, αποτελώντας έναν παράγοντα δευτέρας τάξης που ορίζεται από τρεις ικανότητες: την οπτικοποίηση, τις μετασχηματιστικές ικανότητες και την πρωτοτυπία. (β) Συγκεκριμένες γνωστικές διαδικασίες εμφανίζονται καθώς οι μαθητές επιλύουν ένα μαθηματικό πρόβλημα ενόρασης, οι οποίες ακολουθούν τέσσερα στάδια: προετοιμασία, επώαση, φωτισμός και επαλήθευση. Κάθε στάδιο πραγματώθηκε με διαφορετικό τρόπο στους μαθητές με διαφορετική ικανότητα επίλυσης μαθηματικών προβλημάτων ενόρασης. (γ) Ανάμεσα στους τρεις εσωτερικούς παράγοντες που, σύμφωνα με το μοντέλο της Seelig (2012), συνεισφέρουν στη μαθηματική δημιουργικότητα, δηλαδή τη φαντασία στα μαθηματικά, τις μαθηματικές γνώσεις και τη μαθηματική νοοτροπία, επικρατούν συγκεκριμένες σχέσεις. Οι μαθηματικές γνώσεις μπορούν να ερμηνευθούν άμεσα και σε μέτριο βαθμό από τη μαθηματική νοοτροπία. Η φαντασία στα μαθηματικά μπορεί να επεξηγηθεί άμεσα και σε μεγάλο βαθμό από τις μαθηματικές γνώσεις, ενώ μπορεί να ερμηνευθεί έμμεσα από τις πεποιθήσεις των μαθητών για τη μαθηματική νοοτροπία.