La idea de que la memoria estaba formada por un número de componentes funcionales, neuralmente diferentes, se basó en las disociaciones encontradas en la actuación de pacientes neurológicos en distintos tipos de tareas de memoria. Esta idea ha recibido un fuerte apoyo a partir de los resultados de un no cada vez mayor de estudios con neuroimágenes funcionales.
La memoria declarativa parece que depende del sistema temporal medial diencefálico. Esta zona del cerebro y el hipocampo se encuentran lesionados en la amnesia. Esta zona es también la primera que empieza a deteriorarse en la demencia tipo Alzheimer. Además, presenta una pérdida de neuronas con la edad lo que explicaría el descenso de la memoria episódica durante el envejecimiento. La investigación con animales de laboratorio ha mostrado que el condicionamiento de respuestas emocionales depende de la amígdala.