Pamięć sensoryczna to natychmiastowy, bardzo krótki zapis informacji sensorycznej w systemie pamięci. Przechowuje ona dosłowną kopię bodźca przez ułamek sekundy lub kilka sekund, w zależności od modalności.

Pamięć ikoniczna przechowuje informacje wzrokowe przez około ćwierć sekundy; pamięć echoiczna przechowuje informacje słuchowe przez trzy lub cztery sekundy. Eksperymenty George'a Sperlinga z częściowym raportem wykazały, że pojemność pamięci ikonicznej jest większa niż to, co ludzie mogą zarejestrować przed zanikiem śladu. Pamięć sensoryczna pozwala systemowi wyodrębniać istotne cechy i integrować informacje pomimo krótkich przerw, takich jak mruganie powiekami czy przerwy w dźwięku.

Tylko ułamek śladu pamięci sensorycznej jest wybierany przez uwagę do dalszego przetwarzania w pamięci roboczej. Reszta zanika i zostaje utracona. Pamięć sensoryczna jest specyficzna dla modalności i prekategorialna; nie została jeszcze zinterpretowana jako znaczące obiekty lub zdarzenia.

Pozostający po wybuchu zimnego ognia obraz lub niknące echo niedawno usłyszanego zdania to codzienne przypomnienia pamięci sensorycznej.