Uma vez codificada a informação, esta deve ser retida ao longo do tempo para que esteja disponível posteriormente. O armazenamento consiste na retenção da informação codificada na memória.

Diferentes sistemas suportam o armazenamento em diferentes escalas de tempo: alterações sinápticas para intervalos curtos, consolidação ao nível do sistema para períodos mais longos. O sono desempenha um papel ativo na estabilização de determinadas formas de armazenamento. Os limites de capacidade são mais evidentes na memória de curto prazo e na memória de trabalho; o armazenamento a longo prazo parece ser praticamente ilimitado para fins práticos.

O armazenamento não é estático. As memórias podem ser modificadas quando são reativadas, e a interferência pode degradá-las. As condições biológicas — idade, hormonas do stress, doenças neurológicas — afetam a integridade do armazenamento. As técnicas que melhoram a codificação e reduzem a interferência contribuem para um armazenamento mais fiável. Sem armazenamento, não haveria aprendizagem que perdurasse para além do momento presente.

O que é armazenado hoje torna-se o conhecimento que moldará a perceção e a decisão de amanhã.