Sensorisch geheugen is de onmiddellijke, zeer korte vastlegging van sensorische informatie in het geheugensysteem. Het bewaart een letterlijke kopie van de input gedurende een fractie van een seconde tot enkele seconden, afhankelijk van de modaliteit.

Het iconisch geheugen slaat visuele informatie op gedurende ongeveer een kwart seconde; het echoïsch geheugen slaat auditieve informatie op gedurende drie tot vier seconden. De experimenten van George Sperling met gedeeltelijke rapportage toonden aan dat de capaciteit van het iconisch geheugen groter is dan wat mensen kunnen rapporteren voordat het geheugenspoor vervaagt. Sensorisch geheugen stelt het systeem in staat relevante kenmerken te extraheren en informatie te integreren tijdens korte onderbrekingen, zoals oogknipperen of stiltes in het geluid.

Slechts een fractie van de sensorische geheugenafdruk wordt door de aandacht geselecteerd voor verdere verwerking in het werkgeheugen. De rest vervaagt en gaat verloren. Sensorisch geheugen is modaliteitsspecifiek en pre-categorisch; het is nog niet geïnterpreteerd als betekenisvolle objecten of gebeurtenissen.

De nagalm van een sterretje of de wegstervende echo van een zin die je net hebt gehoord, zijn alledaagse herinneringen aan zintuiglijke herinneringen.