Setelah informasi dienkode, informasi tersebut harus disimpan dalam jangka waktu tertentu agar dapat diakses di kemudian hari. Penyimpanan adalah proses mempertahankan informasi yang telah dienkode dalam memori.

Sistem yang berbeda mendukung penyimpanan dalam skala waktu yang berbeda: perubahan sinaptik untuk interval pendek, konsolidasi tingkat sistem untuk periode yang lebih lama. Tidur berperan aktif dalam menstabilkan bentuk penyimpanan tertentu. Batasan kapasitas paling jelas terlihat pada memori jangka pendek dan memori kerja; penyimpanan jangka panjang tampaknya tidak terbatas untuk tujuan praktis.

Penyimpanan bukanlah sesuatu yang statis. Ingatan dapat dimodifikasi ketika diaktifkan kembali, dan gangguan dapat menurunkan kualitasnya. Kondisi biologis—usia, hormon stres, penyakit neurologis—memengaruhi integritas penyimpanan. Teknik yang meningkatkan pengkodean dan mengurangi gangguan mendukung penyimpanan yang lebih andal. Tanpa penyimpanan, tidak akan ada pembelajaran yang bertahan melampaui momen saat ini.

Apa yang disimpan hari ini akan menjadi pengetahuan yang membentuk persepsi dan keputusan di masa depan.