短期記憶要變成長期記憶，腦子一定要做些改變，才能保護記憶免受其他刺激或傷病的干擾。這個透過時間讓經驗在我們記憶留下永久記錄的過程，就稱為記憶固化。
參與記憶固化過程的細胞與分子的變化，通常發生在學習過程的最初幾分鐘或幾個小時，而且會改變神經元或神經元群的狀態。系統層級的固化作用需將處理個別記憶的腦網絡重組，發生的時程慢得多，需要幾天、甚至幾年。
影響表述性記憶（對一般事實和特殊事件的回憶）的鞏固過程，依賴于大腦中海馬區和其他一些內側顳葉結構的功能。
在細胞層次方面，記憶是以神經元構造與功能上的改變來呈現，像是產生新的突觸（神經元間互通訊息之處），在神經元網絡之間建立起新的溝通管道；或是加強現有的突觸，以促進兩個神經元間的溝通
效率。
海馬需要合成新的RNA與蛋白質，才能穩固這種突觸變化，將突觸傳輸上的暫時變化轉變成構造上的永久改變。
隨著時間的推移，支配一切的大腦系統也會發生改變。首先，海馬區與新皮層（大腦的最外層）中的某些感覺加工區協同工作，形成新的記憶。在新皮層范圍內，某一事件的各個表征根據內容，分布在多個大腦區域。例如，視覺信息由大腦背面枕葉中的初級視覺皮層加工處理，而聽覺信息則由大腦兩側顳葉中的初級聽覺皮層加工處理。
一旦某種
記憶形成，海馬區迅速將這些分布的信息組合成一種記憶，因而分布于各個感覺加工區的表征起著索引作用。隨著時間的推移，細胞和分子水平的改變為強化這些新皮層區之間的直接聯系提供了方便，記憶也就不再依賴于海馬區。當海馬區受傷或因神經變性障礙而受到損傷，新記憶的形成受到阻礙時，也不會影響到已鞏固的過往事件的記憶。
