ในยุคแรก ๆ มีการใช้เทคนิคทางอรรถศาสตร์แบบง่าย ๆ เพื่อตรวจสอบและทำความเข้าใจความแตกต่างกัน ระหว่างระบบความจำเชิงกระบวนวิธีและระบบความจำเชิงประกาศ โดยที่ทั้งนักจิตวิทยาและนักปรัชญาได้เริ่มเขียนบทความเกี่ยวกับความจำชนิดต่าง ๆ มาเกินหนึ่งศตวรรษแล้วเช่น ในปี ค.ศ. 1804 นักปรัชญาชาวฝรั่งเศสเมน เดอ บิราน เขียนบทความเกี่ยวกับ "ความจำกล" (Mechanical memory) ในปี ค.ศ. 1890 ในหนังสือที่มีชื่อเสียงของเขาคือ Principles of Psychology (หลักจิตวิทยา) นักจิตวิทยาชาวอเมริกันวิลเลียม เจมส์ ได้เสนอว่ามีความแตกต่างกันระหว่างความจำ (memory) และนิสัย (habit)

ในยุคต้น ๆ จิตวิทยาประชาน (Cognitive psychology) มักจะมองข้ามอิทธิพลของการเรียนรู้ต่อระบบความจำ ซึ่งมีผลเป็นการจำกัดงานวิจัยเกี่ยวกับการเรียนรู้เชิงกระบวนวิธีจนกระทั่งถึงคริสต์ศตวรรษที่ 20[2] ซึ่งเป็นยุคที่เริ่มเกิดความเข้าใจชัดเจนยิ่งขึ้นเกี่ยวกับหน้าที่และโครงสร้างทางประสาทที่มีบทบาทในการสร้าง การเก็บ และการค้นคืนความจำเชิงกระบวนวิธี ในปี ค.ศ. 1923 นักจิตวิทยาชาวอังกฤษ-อเมริกันวิลเลียม แม็คดูกอลล์เป็นบุคคลแรกที่แยกแยะความแตกต่างกันระหว่างความจำชัดแจ้ง (explicit memory) และความจำโดยปริยาย (implicit memory)

ในช่วงคริสต์ทศวรรษ 1970 บทความต่าง ๆ เกี่ยวกับปัญญาประดิษฐ์ได้ทำการแยกแยะระหว่างความรู้เชิงกระบวนวิธี (procedural knowledge) และความรู้ชัดแจ้ง (declarative knowledge)งานวิจัยที่เกิดขึ้นในช่วงนั้นแบ่งออกเป็นสองพวก คือพวกหนึ่งเพ่งเล็งไปในการศึกษาโดยใชัสัตว์ และอีกพวกหนึ่งโดยใช้คนไข้ภาวะเสียความจำ (amnesia)ในปี ค.ศ. 1962 นักจิตวิทยาชาวอังกฤษเบร็นดา มิลเนอร์ ได้ให้หลักฐานการทดลองที่น่าเชื่อถือเป็นครั้งแรกเกี่ยวกับความแตกต่างกันระหว่างความจำเชิงประกาศ ซึ่งรู้ว่า "อะไร" กับความจำเชิงกระบวนวิธี ซึ่งรู้ว่า "อย่างไร" โดยแสดงว่า คนไข้ภาวะเสียความจำขั้นรุนแรงคนหนึ่งคือนายเฮ็นรี่ โมไลสัน หรือที่รู้จักก่อนจะเสียชีวิตว่าคนไข้ H.M. สามารถเรียนรู้ทักษะที่ประสานการทำงานของตาและมือ (คือการวาดภาพดูเงาในกระจก) แม้ว่าจะจำไม่ได้ว่าได้ทำการฝึกวาดมาแล้วแม้ว่างานวิจัยนี้จะบ่งว่า ความจำไม่ใช่มีแค่ระบบเดียวและอยู่ในที่เดียวกันในสมองแต่นักวิจัยอื่น ๆ กลับมีมติร่วมกันในช่วงนั้นว่า ทักษะการเคลื่อนไหวน่าจะเป็นกรณีพิเศษ คือเป็นระบบความจำที่มีระดับประชานที่ต่ำกว่า (less cognitive)

ต่อจากนั้น โดยขัดเกลาปรับปรุงวิธีการวัดผลทางการทดลองให้ดีขึ้น ได้มีงานวิจัยอื่น ๆ อีกมากมายในคนไข้ภาวะเสียความจำ ที่ศึกษาเขตสมองต่าง ๆ ที่มีความเสียหายในระดับต่าง ๆ กันซึ่งนำไปสู่การค้นพบว่าคนไข้สามารถเรียนรู้และดำรงไว้ซึ่งทักษะอื่น ๆ นอกจากทักษะการเคลื่อนไหวตามที่มิลเนอร์ได้ค้นพบแต่ว่า งานเหล่านี้มีข้อบกพร่องในการออกแบบเพราะว่าคนไข้มักจะมีผลการทดสอบต่าง ๆ ต่ำกว่าระดับปกติและดังนั้น จึงมีผลให้ภาวะเสียความจำถูกมองกันในเวลานั้นว่า เป็นความบกพร่องเกี่ยวกับการค้นคืนความจำล้วน ๆ แต่งานวิจัยในคนไข้ต่อ ๆ มาพบขอบเขตของระบบความจำที่เป็นปกติของคนไข้มากขึ้นที่สามารถใช้ในกิจการงานต่าง ๆ เป็นปกติยกตัวอย่างเช่น โดยใช้เทคนิคให้อ่านหนังสือในกระจก (mirror reading task) คนไข้ภาวะเสียความจำมีการพัฒนาทักษะนี้ในระดับปกติ แม้ว่าจะจำคำศัพท์ที่อ่านแล้วบางคำไม่ได้

ต่อมาในช่วงคริสต์ทศวรรษ 1980 ก็มีการค้นพบมากมายเกี่ยวกับกายวิภาคและสรีรภาพของกลไกทางประสาทที่มีบทบาทในความจำเชิงกระบวนวิธีคือเขตสมองส่วน ซีรีเบลลัม ฮิปโปแคมปัส neostriatum และ basal ganglia ได้รับการระบุว่า มีบทบาทเกี่ยวกับการสร้างความจำ[3]