梦在记忆巩固中发挥着至关重要的作用，记忆巩固是大脑将脆弱的短期记忆转化为稳定的长期记忆的过程。在睡眠期间，海马体会加速重播当天的经历，将重要信息传输到新皮质进行永久存储，同时丢弃不相关的细节。
哈佛大学的罗伯特·斯蒂克戈尔德（Robert Stickgold）进行的研究表明，学习了复杂的迷宫任务然后睡觉的受试者在重新测试中表现明显更好。至关重要的是，那些特别梦见迷宫的人表现出最大的进步，这表明梦见学到的材料反映了主动的记忆处理，而不仅仅是随机重放。
快速眼动睡眠对于情绪和程序记忆尤其重要，而慢波睡眠则巩固陈述性（事实）记忆。两阶段模型提出，记忆首先在慢波睡眠期间稳定下来，然后在随后的快速眼动阶段与现有知识和情绪背景相整合。
睡眠纺锤波（第二阶段睡眠期间神经振荡的爆发）与记忆巩固能力密切相关。产生更多睡眠纺锤波的人往往在记忆任务上表现更好。这些纺锤体似乎在记忆转移过程中协调海马体和新皮质之间的对话。
其实际意义是重大的：睡前学习比早上学习更有效。即使包含短暂的快速眼动睡眠时间的小睡也能增强创造性地解决问题的能力。通宵临时抱佛脚会适得其反，因为它牺牲了将所学材料巩固成持久记忆的睡眠过程。