Sensorā atmiņa ir sensorās informācijas pagaidu glabāšana atsaucei, kas ilgst sekundēs. Ja cilvēks vēlas pārveidot sensoro atmiņu par pastāvīgi saglabātu atmiņu, viņam būs jāpievērš uzmanība sensorajai ievadei, lai smadzenes zinātu to ievietot pastāvīgākā vietā. Daudzi pētījumi ir pētījuši sensoro atmiņu un tās darbības veidu. Tam ir svarīga loma izziņā, uztverē un uzdevumu izpildē.
Normālos apstākļos tāda pieredze kā skats, skaņa vai pieskāriens smadzenēs tiks paturēts dažas sekundes un pēc tam izmests. Tas var radīt dīvainas maņu parādības, piemēram, sajūtu, ka vilciena svilpe joprojām pūš pēc tā apstāšanās, vai vizuāla izplūšana, kad spilgts objekts tiek vilkts uz tumša fona. Daži displeji paļaujas uz šo sensorās atmiņas aspektu, un smadzenes aizpilda daļu attēla no pagaidu atmiņas, vienlaikus mirgojot nākamajā segmentā.
Haptiskā, ikoniskā un atbalss atmiņa ir dažādi sensorās atmiņas veidi, kas aptver attiecīgi pieskārienu, redzi un skaņu. Lai atmiņa saglabātos ilgāk par dažām sekundēm, tai ir jāizceļas. Piemēram, traumatiski vizuālie attēli bieži iekļūst ilgtermiņa atmiņā, jo cilvēks ir šokēts vai satraukts, redzot autoavāriju vai citu traumatisku notikumu. Tāpat viesmīle var atcerēties pasūtījumu bez nepieciešamības to pierakstīt, kad viņa runā uz klientu.
Sensorās atmiņas īslaicīgais raksturs arī izskaidro, kāpēc cilvēkiem dažreiz ir slikta atmiņa par kaut ko, ko viņi tikko ir redzējuši, dzirdējuši vai pieskārušies. Piemēram, ja skolēna uzmanība tiek novērsta, kaut ko meklējot, viņa izlasīs attiecīgo informāciju, atgriezīsies pie tā, ko darīja, un sapratīs, ka nevar atcerēties tikko izlasīto. Tāpat, ja ģimenes loceklis kliedz tālruņa numuru kādam, kas izskrien pa durvīm, šis cilvēks var neatcerēties numuru, kad viņš pēc dažām stundām dodas uz to zvanīt.
Smadzenes savā sensorajā atmiņā var uzglabāt aptuveni septiņas informācijas vienības, pirms tām ir jāatbrīvo vieta vairāk, izmetot vai saglabājot informāciju. Var būt svarīgi to apzināties mācību sesiju laikā, jo informācijas sadalīšana var atvieglot to atcerēšanos. Piemēram, komplektos sniegtos skaitļus ir vieglāk atcerēties nekā garu virkni. Daudzi cilvēki var atcerēties tālruņa numuru, piemēram, 555-1212, bet nevar atcerēties virkni 5551212.