В долговременную память с произвольным доступом информация поступает из буферной памяти через преобразование ее в кратковременной памяти. В этом процессе важна роль мышления: информация при преобразовании обобщается, группируется, классифицируется. Долговременная память практически не ограничена в объеме и времени хранения.

Известно, что одной из систем мозга, необходимых для осуществления переноса информации из кратковременной памяти в долговременную является гиипокамп. Его структуры и вся медиальная часть височной доли играют важную роль в процессе закрепления (консолидации) следов памяти. Эти отделы входят в лимбическую систему, характеризующуюся очень сложными функциями и являющуюся составной частью первого энергетического блока При снижении тонуса коры, который обеспечивается структурами гиппокампа, нарушается возможность избирательного запечатления следов (модально-неспецифические нарушения памяти). Более массивные поражения этих отделов приводят к нарушениям кратковременной памяти, приближающимся по интенсивности к Корсаковскому синдрому (фиксационная амнезия, амнестическая дезориентировка, парамнезии).

Роль гиппокампа в процессах памяти выявилась после операции его двухстороннего удаления у больного по поводу эпилепсии. После операции пациент стал жить только в настоящем времени. Он помнил события, предметы или людей ровно столько, сколько они удерживались в его кратковременной памяти.

Современные исследования у больных с различными поражениями мозга и экспериментальные данные привели к представлению о множественности систем памяти. Структуры гиппокампа, да и вся медиальная часть височной доли и таламус, являются важными для организации декларативной памяти, которая обеспечивает ясный и сознательный отчет о прошлом индивидуальном опыте (ее содержание может быть декларировано). Однако намного раньше в эволюции развилась процедурная память, т.е. знание того, как нужно действовать. Привыкание и классическое обуславливайте — это примеры приобретения процедурной памяти. Процедурная память основана на биохимических и биофизических изменениях, происходящих только в тех нервных цепях, которые непосредственно участвуют в усвоенных действиях, а не в отдаленных участках мозга, как это имеет место при декларативной памяти.