Memoria senzorială este înregistrarea imediată, foarte scurtă, a informațiilor senzoriale în sistemul de memorie. Aceasta păstrează o copie literală a informațiilor primite pentru o fracțiune de secundă până la câteva secunde, în funcție de modalitate.

Memoria iconică stochează informații vizuale timp de aproximativ un sfert de secundă; memoria ecoică stochează informații auditive timp de trei sau patru secunde. Experimentele cu raportare parțială ale lui George Sperling au demonstrat că memoria iconic este mai mare decât ceea ce pot raporta oamenii înainte ca urma să dispară. Memoria senzorială permite sistemului să extragă caracteristici relevante și să integreze informații în timpul unor întreruperi scurte, cum ar fi clipitul ochilor sau pauzele de sunet.

Doar o fracțiune din urmele memoriei senzoriale este selectată de atenție pentru procesare ulterioară în memoria de lucru. Restul se degradează și se pierde. Memoria senzorială este specifică modalității și pre-categorială; nu a fost încă interpretată ca obiecte sau evenimente semnificative.

Imaginea persistentă a unei sclipici sau ecoul care se estompează al unei propoziții tocmai auzite sunt amintiri cotidiene ale memoriei senzoriale.