Diverse strutture neurali sono coinvolte nella memoria dichiarativa. La maggior parte si trova nel lobo temporale o è strettamente connessa con esso, come l'amigdala, l'ippocampo, la corteccia rinale nel lobo temporale e la corteccia prefrontale. Anche i nuclei nel talamo sono inclusi, poiché molte connessioni tra la corteccia prefrontale e la corteccia temporale passano attraverso il talamo. Le regioni che costituiscono il circuito di memoria dichiarativa ricevono connessioni dalla neocorteccia e dai sistemi del tronco encefalico, inclusi i sistemi di acetilcolina, serotonina e noradrenalina.