A memória sensorial é o registo imediato e muito breve da informação sensorial no sistema de memória. Retém uma cópia literal da entrada por uma fração de segundo a alguns segundos, dependendo da modalidade.

A memória icónica armazena informação visual durante aproximadamente um quarto de segundo; a memória ecoica armazena a informação auditiva durante três ou quatro segundos. As experiências de relato parcial de George Sperling demonstraram que a capacidade da memória icónica é maior do que aquilo que as pessoas conseguem relatar antes de a informação se dissipar. A memória sensorial permite ao sistema extrair características relevantes e integrar informação mesmo em breves interrupções, como pestanejos ou pausas no som.

Apenas uma fracção do rasto de memória sensorial é seleccionada pela atenção para processamento posterior na memória de trabalho. O restante degrada-se e perde-se. A memória sensorial é específica da modalidade e pré-categórica; ainda não foi interpretada como objetos ou acontecimentos significativos.

A imagem residual de uma faísca ou o eco distante de uma frase recém-ouvida são lembretes quotidianos da memória sensorial.