On mitmeid teooriaid, mis pakuvad seost kofeiini ja mälu vahel. On tõestatud, et kofeiinil on mõju lühiajalisele mälule, kuna see soodustab ajutist kontsentratsiooni suurenemist. Esialgsed loomkatsed on näidanud, et regulaarne kofeiini tarbimine võib samuti avaldada pikaajalist mõju Alzheimeri tõvega inimeste mälule.
Kofeiinil on otsene mõju ajutegevusele. See stimuleerib ajupiirkondi, mis hõlmavad lühiajalist mälu ja tähelepanu. Kofeiin põhjustab aju veresoonte ahenemist ja ainevahetuse kiirendamist. See saadab energiat ajju, kuigi vähendab ka südamesse jõudva hapniku hulka. See suurendab aju aktiivsust otsmikusagaras, mälu asukohas ja tähelepanu eest vastutavas eesmises singulumis.
Kõige kindlam seos kofeiini ja mälu vahel on ajutine tõuge, mida see annab lühiajalisele mälule. Aju neuronid töötavad kofeiini mõjul kiiremini, see põhjustab ahelreaktsiooni, mis viib vaimse erksuseni. Stimuleerivast kofeiinist saadav tõuge võimaldab paremini keskenduda ja sellest tulenevalt paremini teavet meelde tuletada.
Kasulik seos kofeiini ja mälu vahel kestab umbes kolm kuni viis tundi. Selle perioodi jooksul säilitatava teabe suurema hulga mõju võib avaldada pikaajalist mõju. Lisaks meelte võimendamisele on kofeiin tänu oluliste detailide paremale säilimisele aidanud inimestel saavutada testides kõrgemaid tulemusi ja teha stressirohketes olukordades paremaid otsuseid.
Kofeiin suurendab ka dopamiini, kemikaali, mis on seotud heaolutundega. Positiivne meeleseisund vähendab stressi ja võimaldab kehal lõõgastuda, parandades seeläbi elundite, näiteks aju, üldist tööd. See efekt on kõige sügavam kergema kofeiini kasutajate jaoks.
Alzheimeri tõvega patsientidel on läbi viidud mitmeid loomkatseid kofeiini ja mälu vahelise seose kohta. Need uuringud näitasid, et regulaarne kofeiini tarbimine pikema aja jooksul võib aidata vältida närvide degeneratsiooni. Nad väitsid, et kofeiinil võib olla mälu halvenemist ennetav toime.
Nendes uuringutes seisnes kofeiini ja mälu vaheline seos pigem ajufunktsiooni säilitamises kui tugevdamises. Nendes uuringutes leitud mälu eelised olid seotud mõõduka ja regulaarse kofeiini kasutamisega, mis vastab inimesele neljale portsjonile päevas. Kofeiini tarbimine kaitses kolesterooli neurone paksendava toime ning Parkinsoni ja Alzheimeri tõve tekke eest laboriloomadel.