多层单元（MLC）快闪记忆体是在每个单元可以存储两位数据。相比于单层单元（SLC）快闪记忆体，其成本要低，这使得它是消费级固态存储的可取选择。MLC的缺点是比特误差率比SLC要高，那是因为它误读单元状态的机率大。

多层单元快闪记忆体，这种快速发展的技术出现将以往廉价的固态存储可以套用到企业级关键套用中，从而在价格和性能之间达成某种平衡。不过虽然快闪记忆体打开了这片市场，基于主机的存储作为后继者，採用直连存储这种创新方式亦进入了市场。

MLC快闪记忆体的主要好处是较高的数据密度带来的较低单元存储成本，而存储器读取软体可以补偿更大的比特误码率。更高的错误率需要前向纠错（ECC）来纠正多个比特错误。例如，SandForceSF-2500快闪记忆体控制器可以纠正每个512位元组扇区中最多55比特，从而使不可恢复读错误的发生率低于每读写10比特时一个扇区。最常被使用的算法是BCH码。与SLC快闪记忆体相比，MLC NAND的其他缺点是较低的写入速度、较低的编程擦除周期数和更高的功耗。

有少数存储器设备走向另一个方向，为每个比特使用两个单元，从而得到更低的误码率。Intel 8087使用每个单元两个比特的技术，并是首个在1980年于市场上使用多层ROM单元的设备。一些固态磁碟使用MLC NAND中的部分晶粒模拟为单比特的SLC NAND，从而提供更高的写入速度。

三星集团宣布了每个单元（cell）存储三比特信息的一种NAND快闪记忆体，具有共8种电压状态。这也称之为三层单元（Triple Level Cell，缩写TLC），首次套用于840系列SSD。三星将这项技术称之为3比特MLC。基于NAND存储器的闪迪 X4快闪记忆体存储卡在每个电晶体中使用16个离散电荷电平（状态）在每个单元存储四比特。MLC的缺点在TLC上同样存在并更为突出，但TLC也受益于更高的存储密度和更低的成本。

快闪记忆体将数据存储在浮栅电晶体製成的各存储单元中。在传统上，每个单元有两种可能的状态，因此每个单元中存储一个比特数据的称之为单层单元，或者SLC快闪记忆体。SLC存储器具有高写入速度、低功耗、更长电池耐久的优点。但是，因为SLC存储器比MLC存储器在每个单元中存储的数据更少，它存储每兆位元组的成本更高。由于更快的传输速度和更长使用寿命，SLC快闪记忆体技术更常被用于製造高性能存储卡。2016年2月的一项研究表示，SLC与MLC的可靠性在实践中几乎没有差异。