Obstaja več teorij, ki predlagajo povezavo med kofeinom in spominom. Dokazano je, da kofein zaradi začasnega povečanja koncentracije, ki ga spodbuja, vpliva na kratkoročni spomin. Preliminarne študije na živalih so pokazale, da ima lahko redno uživanje kofeina tudi dolgoročni učinek na spomin ljudi z Alzheimerjevo boleznijo.
Kofein neposredno vpliva na delovanje možganov. Spodbuja področja možganov, ki pokrivajo kratkoročni spomin in pozornost. Kofein povzroči, da se krvne žile v možganih zožijo in pospešijo metabolizem. To pošilja energijo v možgane, čeprav zmanjša tudi količino kisika, ki potuje do srca. Poveča možgansko aktivnost v čelnem režnju, lokacijo spomina in sprednji cingulum, ki je odgovoren za pozornost.
Najbolj uveljavljena povezava med kofeinom in spominom je začasen zagon, ki ga daje kratkoročnemu spominu. Nevroni v možganih delujejo hitreje, če jih prizadene kofein, kar povzroči verižno reakcijo, ki vodi v duševno budnost. Spodbujanje stimulansa kofeina omogoča boljšo koncentracijo in posledično boljši priklic informacij.
Blagodejna povezava med kofeinom in spominom traja približno tri do pet ur. Učinek večje količine informacij, shranjenih v tem obdobju, ima lahko dolgoročni učinek. Poleg krepitve čutov je kofein ljudem pomagal doseči višje rezultate na testih in sprejemati boljše odločitve v stresnih situacijah zaradi boljšega zadrževanja pomembnih podrobnosti.
Kofein tudi poveča dopamin, kemikalijo, ki je povezana z občutki dobrega počutja. Pozitivno stanje duha zmanjšuje stres in omogoča telesu, da se sprosti, s čimer se izboljša splošno delovanje organov, kot so možgani. Ta učinek je najbolj izrazit pri lažjih uživalcih kofeina.
Opravljenih je bilo več študij na živalih o povezavi med kofeinom in spominom pri bolnikih z Alzheimerjevo boleznijo. Te študije so pokazale, da lahko redno uživanje kofeina v daljšem obdobju pomaga preprečiti nevronsko degeneracijo. Predlagali so, da bi lahko imel kofein preventivni učinek na poslabšanje spomina.
V teh študijah je bila povezava med kofeinom in spominom tista ohranjanja in ne krepitve delovanja možganov. Prednosti spomina, ugotovljene v teh študijah, so bile povezane z zmerno, redno uporabo kofeina, kar je enako štirim obrokom na dan za ljudi. Uživanje kofeina je zaščitilo pred učinkom holesterola, ki zgosti nevrone, in pred pojavom Parkinsonove in Alzheimerjeve bolezni pri laboratorijskih živalih.