بمجرد ترميز المعلومات، يجب الاحتفاظ بها بمرور الوقت لتكون متاحة لاحقًا. التخزين هو عملية الاحتفاظ بالمعلومات المُرمّزة في الذاكرة.

تدعم الأنظمة المختلفة التخزين على مدى فترات زمنية متباينة: تغييرات في المشابك العصبية لفترات قصيرة، وتوطيد على مستوى النظام لفترات أطول. يلعب النوم دورًا فعالًا في استقرار بعض أنواع التخزين. تظهر حدود السعة بوضوح في الذاكرة قصيرة المدى والذاكرة العاملة؛ بينما يبدو التخزين طويل المدى غير محدود عمليًا.

لا تُعدّ الذاكرة ثابتة. يمكن تعديل الذكريات عند إعادة تنشيطها، وقد يؤدي التشويش إلى إضعافها. تؤثر الظروف البيولوجية - كالعمر، وهرمونات التوتر، والأمراض العصبية - على سلامة الذاكرة. تدعم التقنيات التي تُحسّن الترميز وتقلل التشويش تخزينًا أكثر موثوقية. بدون الذاكرة، لن يكون هناك تعلّم يدوم بعد اللحظة الراهنة.

ما يتم تخزينه اليوم يصبح المعرفة التي تشكل تصورات وقرارات الغد.