La memoria sensorial es el registro inmediato y muy breve de la información sensorial en el sistema de memoria. Conserva una copia literal de la información recibida durante una fracción de segundo o unos pocos segundos, según la modalidad.

La memoria icónica almacena información visual durante aproximadamente un cuarto de segundo; la memoria ecoica almacena información auditiva durante tres o cuatro segundos. Los experimentos de George Sperling, basados ​​en informes parciales, demostraron que la capacidad de la memoria icónica es mayor que lo que las personas pueden informar antes de que el recuerdo se desvanezca. La memoria sensorial permite al sistema extraer características relevantes e integrar información a través de breves interrupciones, como parpadeos o pausas en el sonido.

Solo una fracción de la huella de memoria sensorial es seleccionada por la atención para su posterior procesamiento en la memoria de trabajo. El resto se desvanece y se pierde. La memoria sensorial es específica de la modalidad y precategórica; aún no se ha interpretado como objetos o eventos con significado.

La imagen residual que deja una bengala o el eco que se desvanece de una frase recién escuchada son recordatorios cotidianos de la memoria sensorial.