Pamięć długotrwała (z ang. long-term memory, LTM) – stanowi trwały magazyn śladów pamięciowych, o teoretycznie nieograniczonej pojemności i czasie przechowywania.
LTM określa się jako pamięć trwałą.
Pamięć długotrwałą dzieli się na różne podsystemy (klastry), ze względu na sposób kodowania, funkcje, materiał, który zapamiętuje itd. Jeden z popularnych sposobów podziału pamięci długotrwałej przedstawia się następująco: pamięć deklaratywna pamięć semantyczna pamięć epizodyczna (zawierająca pamięć autobiograficzną) pamięć niedeklaratywna pamięć proceduralna habituacja warunkowanie torowanie
Z pamięci długotrwałej korzysta rozumowanie intuicyjne, podczas gdy rozumowanie racjonalne wykorzystuje pamięć krótkoterminową.
Koncepcja istnienia oddzielnych magazynów pamięci krótkotrwałej i długotrwałej wywodzi się z XIX wieku. Jeden z modeli pamięci opracowany w XX wieku, którego najbardziej znaną wersję opracował Shiffrin, zakładał, że wspomnienia powstają w jednym magazynie i po krótkim czasie są przenoszone do innego. W tej koncepcji informacja jest najpierw przechowywana w pamięci sensorycznej, która ma dużą pojemność, ale może utrzymywać się tam jedynie przez ułamki sekundy, a następnie zostaje przeniesiona do pamięci krótkotrwałej.