Kognitiivinen psykologia alkoi saada enemmän jalansijaa ja se tuli psykologian valtavirraksi toisen maailmansodan jälkeen.1900-luvun vaikutusvaltaisin kehityspsykologi oli Jean Piaget. Häntä kiinnostivat ajattelun rakenteet ja niiden kehitys. Tämän kehityksen hän katsoi tapahtuvan biologisesti määräytyvien kehitysvaiheiden kautta. Kussakin kehitysvaiheessaan lapsi omaksuu lajityypillisesti uusia tapoja jäsentää – konstruoida – todellisuutta, uusia käsitteellisiä työkaluja todellisuuden tulkitsemiseksi. Taidot ja tiedot ovat organisoituneet kokonaisuuksiksi, skeemoiksi, jotka muuttuvat kahdella tavalla, assimilaation ja akkomodaation avulla. Piaget ajattelee uusien ajattelumuotojen edellyttävän aina valmiuksien kypsymistä. Opetuksessa on tärkeää jäsentää opetettava aines oppilaan kulloistakin ajattelun kehitysvaihetta vastavaksi. Tärkeää on myös tukea hänen aktiivisuutta. Oppilas oppii parhaiten keksiessään ongelmien ratkaisut itse. Piaget´n teorian heikkoudeksi on osoittautunut se, ettei siinä oteta huomioon riittävästi ajattelun ja oppimisen kontekstisidonnaisuutta. Esimerkiksi ympäröivää todellisuutta koskeva ajattelu muovautuu sosiaalisessa vuorovaikutuksessa.

Kognitiivinen oppimiskäsitys lähti siis siitä, minkä olemassaolon behavioristinen oppimiskäsitys oli kieltänyt: niin sanotusta mustasta laatikosta eli ihmisen pään sisäisistä tapahtumista. Tässä oppimiskäsityksessä nimenomaan ihminen tiedon prosessoijana ja käsittelijänä on keskeinen kiinnostuksen kohde. Tähän liittyvät muun muassa muisti, havainnoinnit, ajatukset ja tulkinnat. Esimerkiksi tapahtuman tulkinta vaikuttaa reagointiin, jolloin tulkintoja muuttamalla voidaan muuttaa reagointitapojakin. Konkreettisia sovelluksia opetukseen kehitettiin, kun huomattiin, että muistin kapasiteetti säätelee oppimista ja asettaa sille tietyt rajat.

Kognitiivisen oppimiskäsityksen keskeisiä käsitteitä ovat skeema, assimilaatio ja akkommodaatio. Skeema on muistissa oleva jäsentynyt tietoaines, sisäinen malli, muistiedustus, mentaalinen representaatio tai ihmisen mielessä oleva merkitysten muodostama kokonaisuus jostakin kohteesta tai tilanteesta. Piagetin mukaan skeema on älykkään toiminnan ja ajattelun perustana oleva organisoitunut muistirakenne, jonka avulla ihminen pystyy käsittelemään havaintojaan ja yhdistämään niitä aikaisempaan tietoonsa.

Oppimisen lähtökohtana voidaan pitää nykytilanteen ja uuden tilanteen välistä ristiriitaa, jossa skeema muuttuu. Jos uusi havainto, kokemus tai tieto liitetään jo olemassa olevaan skeemaan, puhutaan assimilaatiosta eli sulauttamisesta. Jos uusi havainto, kokemus tai tieto ei puolestaan sovi olemassa oleviin skeemoihin, tapahtuu akkommodaatio eli mukauttaminen. Silloin olemassa olevia skeemoja muutetaan ja syntyy uusi tietorakenne.

Kognitiivisessa oppimiskäsityksessä keskeinen ilmiö on myös metakognitiiviset tiedot ja taidot. Ne ovat tietoja ja taitoja, jotka koskevat omia kognitiivisia ja emotionaalisia prosessejamme.
Metakognitio on siis oppijan ajatteluun liittyvää tietoisuutta ja säätelyä. Metakognitioon sisältyy toisin sanoen sekä tietoa kognitiosta että kognition säätelyä. Sen avulla yksilö voi tarkkailla ja säädellä omaa toimintaansa. Tämä auttaa esimerkiksi opiskelussa. Metakognitiivinen ihminen tietää kuinka oppia, koska hän on tietoinen siitä, mitä jo tietää sekä siitä, mitä hänen tulee tehdä tiedon saavuttamiseksi.

Kognitiivisen oppimiskäsityksen vahvuutena on ihmisen päänsisäisten prosessien tarkastelu. Ihmisen käyttäytymisen moninaisuus huomioitiin, kun ymmärrettiin, että ihmiset voivat reagoida eri tavoilla samaan tilanteeseen (eli sama ärsyke ei aiheutakaan aina samanlaista reaktioita niin kuin behavioristit olivat olettaneet). Aktivoiva opetus sai enemmän jalansijaa ja opetusmenetelmät monipuolistuivat. Kognitiivinen oppimiskäsitys loi myös vahvan teoriapohjan oppimisen tutkimukselle. Tätä teoriapohjaa esimerkiksi muistin tai havaintojen säännönmukaisuuksista ja rajoista hyödyntävät myös muut oppimiskäsitykset ainakin epäsuorasti. Esimerkiksi ihmisen aktiivisuus ei ole tässä vain ideologia, vaan pohjautuu melko tarkkoihin empiirisiin tutkimustuloksiin.

Kognitiivista oppimiskäsitystä on kritisoitu siitä, että se keskittyy lähinnä vain ihmiseen tietoa prosessoivana, rationaalisena olentona. Esimerkiksi tunteiden, motiivien ja oppimisympäristöjen merkitystä ei alun perin juurikaan huomioitu. Erityisesti oppimisen sosiaalinen ja yhteisöllinen näkökulma jää tässä oppimiskäsityksessä vähäiselle huomiolle.