La mémoire sensorielle est l'enregistrement immédiat et très bref des informations sensorielles dans le système de mémoire. Elle conserve une copie littérale de l'information pendant une fraction de seconde à quelques secondes, selon la modalité sensorielle.

La mémoire iconique stocke les informations visuelles pendant environ un quart de seconde ; la mémoire échoïque, les informations auditives, pendant trois ou quatre secondes. Les expériences de George Sperling sur les rapports partiels ont démontré que la capacité de la mémoire iconique dépasse la capacité de restitution des informations avant que celles-ci ne disparaissent. La mémoire sensorielle permet au système d’extraire les caractéristiques pertinentes et d’intégrer les informations malgré de brèves interruptions, telles que des clignements des yeux ou des coupures sonores.

Seule une fraction de la trace mnésique sensorielle est sélectionnée par l'attention pour un traitement ultérieur en mémoire de travail. Le reste s'estompe et disparaît. La mémoire sensorielle est spécifique à une modalité et pré-catégorielle ; elle n'a pas encore été interprétée comme un ensemble d'objets ou d'événements significatifs.

L’image persistante d’un feu d’artifice ou l’écho qui s’estompe d’une phrase que l’on vient d’entendre sont des rappels quotidiens de la mémoire sensorielle.