To co kiedyś w psychologii uważano za odmienne zjawiska (uwaga, spostrzeganie, wyobraźnia, myślenie, pamięć) w psychologii poznawczej uważa się za odmienne fazy procesu przetwarzania informacji. Początkowo proces przetwarzania informacji uważano za jednokierunkowy. Badano jak bodźce są rejestrowane przez zmysły i jak następnie są przetwarzane, aż w ich efekcie powstanie obraz rzeczywistości. Proces ten jest nazywany procesem dół-góra, od receptorów do mózgu, zwłaszcza kory. Drugim procesem jaki zaczęto uwzględniać jest proces góra-dół. Okazuję się, że to co już wiemy, nasze wcześniejsze doświadczenia, oczekiwania, założenia wpływają na to jak postrzegamy bodźce. Jest to o tyle istotne, że obraz rzeczywistości jaki mamy zależy zarówno od napływających bodźców, jak i od naszej wiedzy, sposobów interpretacji, oczekiwań, obaw itd. Pokazuje to, że percepcja, postrzeganie ma charakter twórczy. W zasadzie konstruujemy rzeczywistość na podstawie odbieranych wrażeń. Na ile jest to świadomy i refleksyjny proces to już jest inna kwestia. Tak, czy inaczej nasze wcześniejsze doświadczenia, nasza wiedza, struktury naszego umysłu mają wpływ na to jak postrzegamy rzeczywistość. W skrajnym przypadku proces góra-dół może prowadzić do halucynacji, kiedy w obrazie rzeczywistości są elementy, których nie zarejestrowały zmysły. W łagodniejszej formie proces ten może odpowiadać za widzenie czegoś oczami wyobraźni.
Ważną role w spostrzeganiu odgrywają mechanizmy uwagi. Podstawowymi funkcjami uwagi jest selektywność i ukierunkowanie przetwarzania informacji. Selekcja informacji może odbywać się na rożnych etapach przetwarzania informacji. Może występować na poziomie ukierunkowania zmysłów, na poziomie skupiania się na już odebranych informacjach, które mogą zostać przeniesione do pamięci trwałej, a także może występować na poziomie przygotowywania programu działania i reakcji.
Uwaga jest przeważnie ukierunkowana. Bodźce mające znaczenie są zauważane szybciej niż inne. Efekt koktail-party polega na tym, że na przyjęciu w gwarze różnych rozmów ludzie łatwo wychwytują jeżeli ktoś wypowie ich nazwisko. Także bodźce intensywne, niespodziewany mogą "przykuwać" uwagę. Następuje wtedy tzw. reakcja orientacyjna polegająca na zwróceniu się w ku źródle stymulacji, wzroście aktywacji organizmu i wrażliwości zmysłów.
Bardzo duże znaczenie maja także tzw. zasoby uwagi (zasoby mentalne). Dzięki nim można koncentrować się na istotnych rzeczach i ignorować bodźce rozpraszające. Zasoby te są ograniczone dlatego też po jakimś czasie intensywnej koncentracji mogą nastąpić problemy z uwagą przejawiające się w popełnianiu błędów. Na funkcjonowanie uwagi wpływ ma także motywacja. Jeżeli jesteśmy zmotywowani do wykonywania jakiegoś konkretnego zdania nasza uwaga jest skoncentrowana, w przypadku braku silnej motywacji uwaga jest bardziej rozproszona. obejmuje więcej elementów ale w mniej dokładny sposób.
Uwaga jest także związana z funkcjonowaniem pamięci. Wyróżnia się różnego rodzaje pamięci. Pamięć sensoryczną (zmysłową), pamięć krótkotrwałą i pamięć długotrwałą. Rodzajów pamięci sensorycznej jest tyle ile i zmysłów. Dla przykładu pamięć echoiczna jest związana ze słuchem, a ikoniczna ze wzrokiem. Pamięć ta ma bardzo ograniczony czas przechowywania informacji. Dzieję się tak dlatego aby można było odbierać nowe bodźce. Znaczące informacje zostają przeniesione do pamięci krótkotrwałej. Czas przechowywania informacji w tej pamięci wynosi od kilku do kilkunastu sekund. Pojemność jej jest znaczenie ograniczona, wynosi w zasadzie około 7 elementów. Zwiększenie pojemności tej pamięci można uzyskać poprzez grupowanie elementów w większe jednostki informacji (np. nie 1, 2 i 3 tylko 123). Powtarzanie, stosowanie różnych mnemotechnik, czy też myślenie o informacjach zawartych w pamięci krótkotrwałej przenosi je do pamięci długotrwałej. Pojemność jej jest bardzo duża, a problemy z przypominaniem mogą wynikać z braku dostępu do informacji, a nie z jej utratą.
Ważnymi teoriami dotyczącymi pamięci krótkotrwałej są teorie pamięci operacyjnej (roboczej). Podkreśla się w nich to, że funkcja tej pamięci jest nie tylko przechowywanie informacji ale także ich aktywne przetwarzanie związane z nadzorowaniem i koordynacją procesów poznawczych. Jedna z teorii pamięci operacyjnej, aktywacyjny model Cowana, zakłada, że pamięć operacyjna to uaktywniona, dzięki, mechanizmom uwagi część pamięci długotrwałej. Natomiast wielokomponentowy model Baddaleya zakłada, że pamięć operacyjna składa się centralnego systemu zarządzającego oraz z dwóch podsystemów: pętli fonologicznej i szkicownika wzrokowo-przestrzennego. Pętla fonologiczna dotyczy informacji werbalnych, szkicownik wzrokowo-przestrzenny informacji obrazowych. Podobnie niekiedy wyodrębnia się dwa kody przetwarzania informacji: kod werbalny i obrazowy. Współdziałanie tych dwóch kodów w przypadku uczenia się znacznie zwiększa jego efekty. Tak więc myślenie nie odbywa się tylko za pomocą słów, można myśleć także za pomocą obrazów.
Zdolność do wytwarzania obrazów podczas nieobecności bodźców nazywana jest wyobraźnią. Może ona mieć charakter odtwórczy wtedy gdy obrazy odpowiadają istniejącym obiektom, jak i twórczy gdy za pomocą wyobraźni tworzy się nowe obiekty, nie mające odpowiednika w zewnętrznej rzeczywistości. Fantazjowanie, korzystanie z wyobraźni odgrywa bardzo ważna rolę w życiu psychicznym i społecznym.
Oprócz myślenia wyobrażeniowego w aspekcie rozwojowym wyróżnia się także myślenie senso-motoryczne. Jest to rozwojowo pierwsza forma myślenia. Polega na przetwarzaniu bodźców zmysłowych za pomocą czynności motorycznych, cielesnych. Dopiero później podczas rozwoju przetwarzanie informacji zaczyna odbywać się także bardziej wewnętrznie. Rozwija się myślenie wyobrażeniowe i pojęciowe (rozwój mowy). Ostatnie rozwija się myślenie logiczne polegające na myśleniu z zachowaniem pewnych zasad, odwracalnością operacji umysłowych oraz decentracji poznawczej, czyli zdolności uwzględniania, czy tez przyjmowania innych punktów widzenia.
W ramach podejścia poznawczego myślenie niekiedy próbowano definiować jako dokonywanie obliczeń, operacji na symbolach, reprezentacjach obiektów. Badania nad ludźmi jednakże jednoznacznie pokazały, że myślenia nie można sprowadzić tylko do formalnych charakterystyk, ale, że bardzo ważną role odgrywa w nich treść. Te same zadania z punktu widzenia formalnego, logicznego były różnie rozwiązywane w zależności od tego jak je przedstawiono.
Myślenie może mieć także charakter heurystyczny i systematyczny. Myślenie heurystyczne polega na posługiwaniu się różnymi uproszczonymi sposobami myślenia (heurystykami). Takie myślenie nie wymaga znacznego wysiłku ale daje niski stopień pewności. Myślenie systematyczne natomiast polega na dogłębnej analizie wszystkich dostępnych informacji, uważności aby nie pominąć jakiś danych, a nawet poszukiwaniu nowych informacji. Taki sposób myślenia wymaga wysiłku ale daje wysoki stopień pewności. Tak rozumiany sposób myślenia zależy od potrzeby pewności i możliwości (czasu, dostępu do informacji, zasobów uwagi).
W psychologii poznawczej coraz większa role zaczynają odgrywać kwestie związane z kontrolą poznawczą, czyli z monitorowaniem (obserwowaniem), regulacją i sterowaniem procesami poznawczymi takimi jak uwaga, myślenie itp. Wprowadza się pojęcia metapoznania albo funkcji zarządczych odpowiadających za najbardziej złożone, świadome i inteligentne czynności umysłu ludzkiego. W ten sposób powraca pytanie dotyczące tego kto pełni te funkcje i zostaje podniesiona kwestia podmiotowości.