ในการใช้งาน MCS-51 จำเป็นต้องมีหน่วยความจำทั้งที่เป็น Program memory และ Data memory โดยอาจจะมีอยู่ภายในตัว MCS-51 เองหรือไอซีหน่วยความจำ EPROM หรือ ROM แยกออกต่างหากก็ได้
Program memory เป็นบริเวณหน่วยความจำสำหรับเก็บข้อมูลและคำสั่งใช้งานต่างๆ ซึ่งแม้ว่าจะไม่มีการจ่ายไฟให้กับระบบข้อมูลเหล่านี้ก็จะยังคงอยู่ไม่สูญหาย หน่วยความจำที่เป็น Program memory สามารถมีได้สูงสุด 64 KByte รวมทั้งที่มีมาให้จากภายในตัว IC เอง (ขึ้นอยู่กับเบอร์)
Data memory เป็นหน่วยความจำที่ทำได้ทั้งเขียนและอ่านข้อมูลแต่ไม่สามารถเก็บข้อมูลไว้ได้หากไม่มีการจ่ายไฟ พื้นที่ของหน่วยความจำข้อมูลของ MCS-51 สามารถมีได้สูงสุดไม่เกิน 64 KByte และแยกประเภทออกเป็นสองลักษณะตามตำแหน่งของที่ตั้งหน่วยความจำ คือ หน่วยความจำภายในและหน่วยความจำภายนอก
