الحفظ والفهم مثله. روي عنه أنه قال: أحفظ مائةَ ألفِ حديثٍ صحيحٍ، ومائتي ألفِ حديثٍ غيرِ صحيح.
وقال أبو بكر محمد بن رزق الله الكَلَوْذَاني (-٢٤٩): "ما رأيتُ مثلَ محمد بن إسماعيل.، كان يأخذ الكتابَ من العِلم فيطَّلع عليه اطِّلاعةً.، فيحفظ عامَّةَ أطراف الحديث من مرَّة واحدة".
وذكر البخاري عن نفسه أنه يستطيع أن يملي من حفظه عشرة آلاف حديث في الصلاة. فإذا كان هذا مقدار ما يحفظه من الحديث في باب واحدٍ هو الصلاة، فما مقدار ما يحفظه في سائر أبواب العبادات والمعاملات والفضائل والآداب والفتن والتوحيد والتفسير والمغازي.
روي عن حاشد بن إسماعيل بن عيسى البخاريِّ الغزَّال (-٢٦١) - وهو أحد كبار الحفاظ من أقران البخاري - أن الإمام البخاري كان وهو غلامٌ يحضر مجالس الحديث معهم عند مشايخ البصرة، ويستمع إلى ما يُملونه من الأحاديث ولا يكتب كما يفعل الطلبة، ومضت ستة عشر يومًا وهو على هذا الحال، فلاموه عند ذلك، فضجِرَ من لومهم وقال لهم:
- قد أكثرتم عليَّ، فاعرضوا عليَّ ما كتبتم.
قال حاشد بن إسماعيل: "فأخرجناه فزاد على خمسة عشر ألفَ حديثٍ، فقرأها كلَّها عن ظهر قلب، حتى جعلنا نُحْكم كتبنا من حفظه". وقال لهم:
- أتُرون أني أختلفُ هدرًا وأضيع أيامي!
قال: فعرفنا أنه لا يتقدمه أحد".