Авторы этих теорий полагают, что долговременная память связана с образованием новых синаптических контактов на телах нейронов ЦНС, а также с увеличением размеров синапсов. Считают, что долговременная память также связана с разрастанием дендритов и увеличением числа шипиков на дендритном дереве нейронов мозга. Предполагают, что при этом увеличивается число коллатералей аксонов нейронов. Долговременную память также связывают с изменением молекулярных структур нейронов — увеличением числа микротрубочек и других молекулярных образований. Во всех этих случаях тем не менее увеличивается число новых терминалей на нейронах мозга, что способствует распространению по структурам мозга большей информации.

Подтверждением морфологических теорий памяти являются следующие наблюдения. На аплизиях (моллюски) показано, что в нормальных условиях активные зоны нейронов содержат 40 % сенсорных терминалей. В случае привыкания животных к действию определенных сенсорных раздражителей их число сокращается до 10 %, в то время как при сенситизации возрастает до 65%. У крыс, которых содержали в обогащенной среде с наличием множества раздражителей и обученных выполнению зрительных задач, кора большого мозга значительно толще, чем у крыс, выращенных в обедненной окружающей среде. У мышей, содержавшихся в темноте и затем подвергнутых световой нагрузке, обнаружены более разветвленные дендриты пирамидных клеток.

В отличие от концепций долговременной памяти, связанных с формированием новых синаптических контактов между нейронами, канадский ученый Хебб выдвинул гипотезу, согласно которой долговременная фиксация следов памяти связана со стойкими изменениями синаптической проводимости в пределах существующих пулов синапсов. Эта точка зрения легла в основу многих современных представлений о молекулярных механизмах памяти.