Sau khi thông tin được mã hóa, nó phải được lưu giữ theo thời gian nếu muốn sử dụng lại sau này. Lưu trữ chính là việc giữ lại thông tin đã được mã hóa trong bộ nhớ.

Các hệ thống khác nhau hỗ trợ lưu trữ trong các khoảng thời gian khác nhau: thay đổi khớp thần kinh trong thời gian ngắn, củng cố ở cấp độ hệ thống trong thời gian dài hơn. Giấc ngủ đóng vai trò tích cực trong việc ổn định một số dạng lưu trữ nhất định. Giới hạn dung lượng thể hiện rõ nhất ở trí nhớ ngắn hạn và trí nhớ làm việc; khả năng lưu trữ dài hạn dường như không giới hạn đối với các mục đích thực tế.

Bộ nhớ không phải là tĩnh. Ký ức có thể bị thay đổi khi được kích hoạt lại, và sự nhiễu loạn có thể làm suy giảm chúng. Các điều kiện sinh học—tuổi tác, hormone gây căng thẳng, bệnh thần kinh—ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của bộ nhớ. Các kỹ thuật cải thiện quá trình mã hóa và giảm nhiễu loạn hỗ trợ việc lưu trữ đáng tin cậy hơn. Nếu không có bộ nhớ, sẽ không có quá trình học tập nào kéo dài vượt ra ngoài thời điểm hiện tại.

Những gì được lưu giữ ngày hôm nay sẽ trở thành kiến ​​thức định hình nhận thức và quyết định của ngày mai.