Sensorisk hukommelse er den umiddelbare, meget korte registrering af sensorisk information i hukommelsessystemet. Den indeholder en bogstavelig kopi af inputtet i en brøkdel af et sekund til et par sekunder, afhængigt af modaliteten.

Ikonisk hukommelse lagrer visuel information i cirka et kvart sekund; ekkoisk hukommelse lagrer auditiv information i tre eller fire sekunder. George Sperlings delvise rapporteksperimenter viste, at ikonisk hukommelses kapacitet er større end hvad folk kan rapportere, før sporet forsvinder. Sensorisk hukommelse giver systemet mulighed for at udtrække relevante funktioner og integrere information på tværs af korte afbrydelser, såsom blink med øjnene eller huller i lyden.

Kun en brøkdel af det sensoriske hukommelsesspor udvælges af opmærksomheden til videre bearbejdning i arbejdshukommelsen. Resten forfalder og går tabt. Sensorisk hukommelse er modalitetsspecifik og prækategorisk; den er endnu ikke blevet fortolket som meningsfulde objekter eller begivenheder.

Det dvælende efterbillede af en stjernekaster eller det svindende ekko af en lige hørt sætning er hverdagens påmindelser om sensorisk hukommelse.