En fonction de l’activité cérébrale, du tonus musculaire et des mouvements oculaires, le sommeil est divisé en plusieurs phases.

État d’éveil plus détendu avant l’endormissement : les courbes des flux cérébraux sont régulières, le tonus musculaire relativement important et les yeux sont en mouvement.

Stade 1 : phase d’endormissement. Cette phase est caractérisée par de petites ondes cérébrales rapides et irrégulières et par des mouvements oculaires pendulaires.

Stade 2 : l’activité cérébrale ralentit. Le tonus musculaire baisse, les mouvements oculaires sont lents ; ce stade représente plus de la moitié du sommeil.

Stades 3 et 4 : les courbes cérébrales sont plus hautes et plus lentes, les muscles sont détendus, les mouvements oculaires sont lents. Il s’agit du sommeil profond.

Sommeil paradoxal : des petites courbes cérébrales rapides caractérisent cette phase. Les muscles sont totalement détendus – à l’exception des mouvements saccadés occasionnels. Cette phase se distingue surtout par les mouvements oculaires rapides qui lui ont donné son nom : mouvement oculaire rapide (en abrégé MOR), et en englais REM (« rapid eye movements »).
Cette phase est souvent appelée la « phase de rêve ». Une personne se réveillant au cours de cette phase peut généralement raconter ses rêves. Les rêves se produisent cependant au cours de toutes les phases du sommeil. Pendant la phase MOR, la respiration est irrégulière, le pouls et la tension artérielle varient. La phase REM commence avec un nouveau cycle de sommeil.
Ce cycle varié englobe tous les stades situés ci-dessus. Ceci dure environ 90 minutes. Cela signifie que si notre sommeil compte environ 4 à 5 cycles, le sommeil profond (stades 3 et 4) apparaît plutôt au début de la nuit alors que le sommeil paradoxal se prolonge le matin.