Фізіологічна теорія. Згідно з ученням Павлова, матеріальною основою пам’яті є пластичність кори великих півкуль головного мозку, її здатність утворювати нові тимчасові нервові зв’язки, умовні рефлекси. Утворення, зміцнення та згасання тимчасових нервових зв’язків є фізіологічним механізмом пам’яті. Запамґятоване зберігається не як образ, а як «слід», як тимчасові нервові зв’язки, що утворилися у відповідь на дію подразника. Фізіологічна основа пам’яті тісно пов’язана із закономірностями вищої нервової діяльності. Учення про утворення тимчасових нервових зв’язків – це теорія запам’ятовування на фізіологічному рівні.
Фізична теорія. Згідно з фізичною теорією пам’яті, проходження будь-якого збудження через певну групу клітин (нейронів) залишає після себе фізичний слід, що зумовлює механічні та електронні зміни у синапсах (місце сполучення нервових клітин). У разі зорового сприймання предмета його ніби обстежують оком за контуром, який супроводжується рухом імпульсу у відповідній групі нервових клітин, які нібито моделюють сприйнятий об’єкт у вигляді просторово-часової нервової структури. Цю теорію називають ще теорією нейронних моделей. Процес створення та активізації нейронних моделей є базовим щодо процесів запам’ятовування, відтворення та збереження.