Depolama, kodlamadan sonra ve geri çağırmadan önce gelen, belleğin ikinci aşamasıdır. Kodlanmış bilgilerin zaman içinde saklanmasını ifade eder. Depolama, duyusal bellekte olduğu gibi bir saniyeden daha kısa süren kısa süreli veya uzun süreli bellekte olduğu gibi ömür boyu süren kalıcı olabilir.

Bilgi, sinaptik bağlantılardaki değişiklikler yoluyla ve uzun süreli hafızalar için nöronlardaki yapısal değişiklikler ve protein sentezi yoluyla depolanır. Depolama kapasitesi ve süresi hafıza sistemine göre değişir: duyusal hafıza çok kısa bir süre için büyük miktarda bilgiyi tutar, kısa süreli hafıza yaklaşık yedi öğeyi 20-30 saniye boyunca tutar ve uzun süreli hafıza kapasite ve süre açısından esasen sınırsızdır.

Bellek sistemleri

• Duyusal hafıza: çok kısa süreli, yüksek kapasiteli.
• Kısa süreli hafıza: ~7 öğe, 20–30 saniye
• Uzun süreli hafıza: sınırsız, potansiyel olarak kalıcı
• Konsolidasyon, uzun vadeli depolamayı istikrara kavuşturur.