La mémoire sensorielle a été mise en évidence par diverses expériences, au début du siècle dernier. Dans les grandes lignelignes, elle peut retenir une quantité d'informations sensorielles impressionnante, mais la durée de rétention est très brève, inférieure à la seconde. Le contenu de cette mémoire n'est pas perçu consciemment. Un certain traitement automatique est effectué sur le contenu de ces mémoires, avant leur transfert en mémoire à court-terme. Ce peut être des processus de détection des contours d'objets pour la mémoire visuelle, des processus de détection de la tonalité ou de l’intensité sonore pour la mémoire auditive, etc. Le transfert en MCT des informations sensorielles se fonde essentiellement sur l'attention, notre capacité à nous concentrer. Celle-ci va faire un tri des items sensoriels pour n'en retirer que les informations essentielles, celle-ci passant en MCT. Le reste n'atteint pas la conscience et est oubliée. Dans la théorie originale d'Atkinson et Schiffrin, le registre sensoriel est vu comme un système unitaire, capable de mémoriser aussi bien des informations visuelles qu'auditives. Cependant, de nos jours, les savants pensent que ce registre sensoriel serait subdivisé en registres indépendants, un par modalité. Un registre visuel complémenterait ainsi un registre tactile et un registre auditif. Dans ce qui va suivre, nous allons détailler ces différents registres.
