Kognitiivne teabetöötlus on teooriate kogum selle kohta, kuidas mõistus õpib teavet vastu võttes, töötledes ja salvestades. Enamik teooria versioone rõhutavad kolme mälu komponenti: sensoorne mälu, lühiajaline ehk “töömälu” ja pikaajaline mälu. 20. sajandi teiseks pooleks olid kognitiivse infotöötluse teooriad biheivioristliku teooria suures osas välja vahetanud, kuid on mõningaid õppimisvaldkondi, mida kumbki raamistik piisavalt ei selgita.
Kognitiivse teabe Atkinson-Shiffrini mudel käsitleb seda, kuidas sensoorsest sisendist saab lõpuks teadmine. Igal hetkel pommitatakse inimese meelt erinevate stiimulitega: vaated, helid, lõhnad jne. Valdav enamus neist stiimulitest salvestatakse korraks sensoorsesse mällu, kuid unustatakse mõne sekundi jooksul.
Kui aga inimene pöörab tahtlikult tähelepanu teatud sensoorsele sisendile, muutub see lühiajalise mälu osaks. Lühiajalises mälus olevat teavet saab analüüsida seoses selle vahetu konteksti ja asjakohaste varasemate teadmistega. Kui teadmised integreeritakse korralikult teiste asjakohaste teadmistega, integreeritakse see selle teabega ja salvestatakse koos sellega pikaajalist mällu.
See ja teised kognitiivse infotöötlusteooria variatsioonid näevad teadmisi kui omandatud ja salvestatud arvutilaadsesse võrku. Seevastu varasemad õppimisteooriad, nagu BF Skinneri biheivioristlikud vaated, rõhutasid kordamise teel õppimise tähtsust. Skinneri mudelis saab õppija positiivset tagasisidet teabe õige meeldejätmise eest ja negatiivset tagasisidet valesti mäletamise eest, nii et õppimist tugevdavad positiivsed tagajärjed. Kognitiivse infotöötluse teooria osas on aga tagasiside roll teabe mõistmisel abistamiseks. Kui inimesed saavad negatiivset tagasisidet, saavad nad teada, et midagi nende teabest arusaamises on vale, ja nad muudavad oma arusaama vastavalt.
Mõlemal õppimisteoorial on otsene mõju haridusele. Kognitiivse infotöötluse teoreetikud rõhutavad õppijate aktiivse teabe kaasamise vajadust, et see saaks osaks pikaajalisest mälust. Biheivioristid rõhutavad õppija teadmiste pidevat tugevdamist. Kokkuvõttes moodustavad need kaks mudelit suure osa tänapäevastes klassiruumides kasutatavatest meetoditest.
Kognitiivse teabe töötlemisel on siiski mõned suured puudujäägid. Mõned tõendid viitavad sellele, et kogu teavet ei pea selle säilitamiseks teadlikult vastu võtma ja töötlema. Näiteks võib inimene õppida populaarse laulu sõnu, kuulates seda ikka ja jälle raadiost, ilma et oleks kunagi sellele tahtlikult tähelepanu koondanud. Teised õpitud käitumisviisid, nagu rattasõit või standardkäigukastiga auto juhtimine, hõlmavad poolautomaatsete vaimsete ja füüsiliste protsesside kombinatsiooni, mis ei sobi täpselt kummagi mudeliga.