Duyusal bellek, duyusal bilgilerin bellek sisteminde anlık ve çok kısa süreli olarak kaydedilmesidir. Duyusal algının türüne bağlı olarak, bir saniyenin bir bölümünden birkaç saniyeye kadar, girdinin birebir kopyasını tutar.

İkonik bellek, görsel bilgileri yaklaşık çeyrek saniye boyunca depolar; yankısal bellek ise işitsel bilgileri üç veya dört saniye boyunca depolar. George Sperling'in kısmi raporlama deneyleri, ikonik belleğin kapasitesinin, iz kaybolmadan önce insanların rapor edebileceğinden daha büyük olduğunu göstermiştir. Duyusal bellek, sistemin ilgili özellikleri çıkarmasına ve göz kırpma veya ses kesintileri gibi kısa süreli kesintiler boyunca bilgileri bütünleştirmesine olanak tanır.

Duyusal hafıza izinin yalnızca küçük bir kısmı, çalışma belleğinde daha fazla işleme tabi tutulmak üzere dikkat tarafından seçilir. Geri kalanı bozulur ve kaybolur. Duyusal hafıza, duyusal modaliteye özgüdür ve kategori öncesidir; henüz anlamlı nesneler veya olaylar olarak yorumlanmamıştır.

Havai fişeklerin bıraktığı kalıcı görüntü veya yeni duyulan bir cümlenin soluk yankısı, duyusal hafızanın günlük hatırlatıcılarıdır.