資訊一旦被編碼，就必須長期保存才能在以後使用。儲存就是將編碼後的資訊保存在記憶體中的過程。

不同的系統支援不同時間尺度的存儲：短時間內透過突觸變化進行存儲，較長時間內則透過系統層面的鞏固進行存儲。睡眠在穩定某些形式的儲存方面發揮積極作用。容量限制在短期記憶和工作記憶中最為明顯；而長期記憶的容量在實際應用中似乎是無限的。

記憶存儲並非一成不變。記憶在重新激活時可以被修改，幹擾也會使其退化。生理因素——例如年齡、壓力激素和神經系統疾病——都會影響記憶儲存的完整性。改進編碼和減少干擾的技術有助於提高記憶儲存的可靠性。如果沒有記憶存儲，就不會有超越當下時刻的持久學習。

今天儲存的知識會成為塑造明天認知和決策的知識。