Bu, bir kişinin tüm bilgilerinin (deneyim, bilgi, beceriler vb.) saklandığı ve (teorik olarak) sınırsız kapasiteye sahip olduğu düşünülen hafıza yapısıdır.
Bilgiler uzun süreli belleğe yalnızca kısa süreli bellek ile ulaşır ve yalnızca bilişsel görevler için çağrılarak kullanılabilir.
Uzun süreli hafıza, bir kişinin kalıcı bilgi deposudur. Kısa süreli belleğin (birincil bellek, duyusal bellek) aksine, kapasitesi neredeyse sınırsızdır.
Bilgiler dakikalardan yıllara (ikincil bellek) hatta ömür boyu (üçüncül bellek) uzun süreli bellekte saklanabilir. Beyindeki sinir ağları ne kadar derin olursa, uzun süreli hafızadaki hafıza o kadar güçlü olur.
Holografik yaklaşıma göre, bilgi beyinde belirli bir noktada saklanmaz, sinir hücrelerinin ve bunların bağlantılarının genel yapısında gizlenir.
Beynin bölümleri başarısız olsa bile, genel yapı genellikle depolanan bilgileri yeniden yapılandırabilir.
Duyusal bellek kısa süreli bellek ile uzun süreli bellek arasındaki ayrım çoklu bellek modeli olarak adlandırılır.
Uzun süreli bellekte, bildirimsel (dile özgü) ve örtük (dile özgü olmayan) bellek arasında bir ayrım yapılır.
Deklaratif uzun süreli bellek, dünya başkentlerinin adını ya da sinemada hangi filmlerin izlendiğini depolar.
Örtük uzun süreli bellek, bisiklet veya bisiklet sürüş sıralarını saklar. Bu bilgileri içeren uzun süreli örtük belleğin bir kısmı, beceri ve davranış rutinlerinin saklandığı prosedürel bellek olarak da adlandırılır.
Bu prosedürler otomatiktir, yani önemli bir dikkat gösterilmeden gerçekleştirilebilir.
Deklaratif uzun süreli bellekte, semantik ve epizodik bellek arasında bir ayrım yapılır. Uzun vadeli anlamsal bellek, olayların kalıcı olarak saklanmasından sorumludur. Epizodik uzun süreli bellek önceki deneyimleri saklar.
Depolama modeli, beyne gelen uyaranların birkaç seviyeden geçtiğini iddia eder. Sonunda, ya uzun süreli belleğe ulaşırlar ya da yol boyunca kaybolurlar. Bu uyaranlar tüm duyulara hitap edebilir. görsel (bakış), İşitsel (duyma), dokunsal (hissetme) veya koku alma (koku duyusu) olabilirler.
Her şeyden önce, algılanan tüm uyaranlar kısa süreli belleğe girer. Sadece herhangi bir nedenle öne çıkan uyaranlar kısa süreli belleğe girmeye devam eder, diğerleri basitçe unutulur. Kısa süreli bellekte sadece sınırlı miktarda bilgi saklanabilir. Kısa süreli bellekte depolama seçeneklerini artırmak için, küçük bilgiler büyük bilgi birimlerinde (yığınlar) birleştirilir. Bağlarken, uzun süreli bellekten daha eski anılar kullanılır. Kısa süreli bellekteki yeni deneyimler, uzun süreli bellekteki eski deneyimlerle bağlantılıdır. Bazı bilim adamları, bir kişinin kısa süreli belleği bu görevi ne kadar iyi yaparsa, o kadar akıllı olduğuna inanırlar. Bu yaklaşımla kısa süreli bellek sadece yeni içerik öğrenirken yardımcı olmaz aynı zamanda eski hafızayı tekrarlayarak ve hatırlatarak daha sonra kolayca unutulmamasını sağlar. Uzun süreli bellek ile kısa süreli bellek arasında yakın bir işbirliği görülebilir.