เขตในสมองที่มีบทบาทเกี่ยวกับประสาทกายวิภาคของความจำ (neuroanatomy of memory) เช่นเขตฮิปโปแคมปัส อะมิกดะลา striatum และ mammillary bodies เชื่อกันว่ามีบทบาทในความจำเฉพาะอย่างแต่ละอย่าง ๆยกตัวอย่างเช่น เชื่อกันว่าฮิปโปแคมปัสมีบทบาทในการเรียนรู้เกี่ยวกับพื้นที่ (spatial learning) และการเรียนรู้เชิงประกาศ (declarative learning)ในขณะที่อะมิกดะลามีบทบาทในความจำที่ประกอบกับอารมณ์ความรู้สึก (emotional memory)[36] ความเสียหายของเขตต่าง ๆ ในสมองทั้งในคนไข้และสัตว์ตัวแบบและความบกพร่องทางความจำที่ปรากฏต่อ ๆ มา เป็นข้อมูลปฐมภูมิในการศึกษาประเด็นนี้แต่ก็ยังต้องระวังว่า ความเสียหายในเขตนั้น ๆ โดยตรงอาจจะไม่ใช่เหตุของความบกพร่องที่ปรากฏ เหตุอาจจะเป็นความเสียหายในเขตติด ๆ กัน หรือในวิถีประสาทที่วิ่งผ่านเขตนั้นนอกจากนั้นแล้ว ยังไม่เพียงพอที่จะบอกว่า ความจำและสิ่งที่คู่กันกับความจำคือการเรียนรู้ อาศัยเพียงแค่เขตสมองเฉพาะต่าง ๆ เหล่านั้นทั้งการเรียนรู้และความจำเป็นผลของความเปลี่ยนแปลงที่ไซแนปส์ของเซลล์ประสาท ซึ่งเชื่อกันว่าสื่อโดยกระบวนการ long-term potentiation และ long-term depression

โดยทั่ว ๆ ไปแล้ว ถ้ามีอารมณ์ความรู้สึกประกอบที่ยิ่งสูงขึ้นเท่าไรในเหตุการณ์หรือประสบการณ์นั้น ๆ ก็จะเกิดความจำที่ดีขึ้นเท่านั้นเป็นปรากฏการณ์ที่เรียกว่า memory enhancement effect (ปรากฏการณ์เพิ่มสมรรถภาพความจำ)แต่คนไข้ที่มีอะมิกดะลาเสียหาย จะไม่ปรากฏปรากฏการณ์นี้[37][38]

นักจิตวิทยาชาวแคนาดา ดร. โดนัลด์ เฮ็บบ์ เป็นผู้แยกแยะความจำระยะสั้นและความจำระยะยาวเขาวางหลักไว้ว่า ความจำทุกอย่างที่เก็บอยู่ในความจำระยะสั้นเป็นระยะเวลาที่ยาวนานพอ จะเกิดการทำให้มั่นคง (consolidation) กลายเป็นความจำระยะยาวแต่ว่า งานวิจัยภายหลังปฏิเสธหลักนี้คือพบว่า การฉีดยา cortisol หรืออีพิเนฟรินช่วยการเก็บความจำเกี่ยวกับประสบการณ์ที่เพิ่งเกิดขึ้นและการกระตุ้นอะมิกดะลาก็ทำให้เกิดผลเช่นนี้ด้วยซึ่งแสดงว่า ความตื่นเต้นเพิ่มสมรรถภาพความจำโดยกระตุ้นฮอร์โมนที่มีผลต่ออะมิกดะลาแต่ว่า ความเครียดจัดหรือนาน (ทำให้เกิดการหลั่ง cortisol นาน) อาจขัดขวางการเก็บความจำนอกจากนั้นแล้ว คนไข้ที่มีอะมิกดะลาเสียหายไม่สามารถจำคำศัพท์ที่ประกอบด้วยอารมณ์ความรู้สึก ได้ดีกว่าคำที่ไม่ประกอบด้วยความรู้สึก

ส่วนฮิปโปแคมปัสมีความสำคัญต่อความจำชัดแจ้งสำคัญต่อการทำความจำให้มั่นคง (memory consolidation) อีกด้วยนอกจากนั้นแล้ว ฮิปโปแคมปัสยังรับข้อมูลมาจากส่วนต่าง ๆ ของคอร์เทกซ์และส่งข้อมูลไปยังส่วนต่าง ๆ ของสมองด้วยข้อมูลที่รับมามาจากเขตรับความรู้สึก (sensory area) ระดับทุติยภูมิหรือตติยภูมิ เป็นข้อมูลที่มีการแปลผลมาในระดับสูงแล้วความเสียหายที่ฮิปโปแคมปัสอาจทำให้เกิดความสูญเสียความจำและเกิดปัญหาในการเก็บความจำ[39]