Één van de belangrijkste cognitieve functies in het brein is het geheugen. Het geheugen stelt ons in staat om de realiteit in een eerder opgeslagen context te bezien. De informatie die is opgeslagen in ons geheugen gebruiken we om adequaat te functioneren en ons gedrag aan te passen aan de omstandigheden, zodat we bijvoorbeeld niet elk object dat we aantreffen met onze mond onderzoeken.

Het geheugen is onder te verdelen in verschillende faculteiten met elk hun eigen karakteristieken. Hier wordt een aantal genoemd.

Korte-termijngeheugen (ook wel genaamd werkgeheugen) is het vermogen informatie kortdurend te onthouden en te manipuleren. Een voorbeeld hiervan is een reeks getallen te horen en in het hoofd bij elkaar op te tellen.

Autobiografisch geheugen is het vermogen te weten wat in de persoonlijke geschiedenis ligt aan ervaringen en gebeurtenissen.

Procedureel geheugen (ook wel motorisch geheugen) is het vermogen te weten hoe bepaalde handelingen dienen te worden verricht. Het opvallende van dit aspect van het geheugen is het feit dat men niet onder woorden kan brengen hoe men geleerd heeft dit te doen. Een voorbeeld hiervan is het rijden op een fiets.

Omdat geheugenprestaties zich relatief eenvoudig laten testen, is er veel onderzoek verricht en zijn er vele geheugenaspecten onderscheiden. Met name werpen proefpersonene met een hersenbeschadiging licht op de verschillende functies die het geheugen rijk is. Bij een geheugenbeschadiging spreekt men van amnesie, waarbij er twee dingen aan de hand kunnen zijn. Er kan sprake zijn van geheugenverlies voor eerder opgeslagen informatie (zogenaamde retrograde amnesie), waarbij mensen problemen hebben met het zich herinneren van voorbije gebeurtenissen. Ook kan er sprake zijn van een stoornis in het geheugen waarbij mensen niet meer in staat zijn nieuwe informatie te verwerven. Hierbij spreekt men van anterograde amnesie. Van de eerder genoemde geheugenfaculteiten is het autobiografische het meest gevoelig voor beschadiging, zoals duidelijk te merken is in geval van Alzheimers dementie. Het procedurele geheugen is het meest robuust, wat blijkt uit het feit dat een patiënt met anterograde amnesie nog in staat is vorderingen te maken in het leren van spiegelschrift of een andere vaardigheid, zonder dat hij zich kan herinneren het ooit geoefend te hebben of de instructeur eerder te hebben ontmoet.