睡眠时，机体的各种生理活动均处于低水平，如各种感觉减退，骨骼肌紧张性和腱反射减弱，内脏活动降低（如血压下降、心率变慢、体温下降、呼吸减慢、代谢率下降等）。通过对睡眠过程的观察，发现睡眠由正相睡眠和异相睡眠两种时相组成。
正相睡眠即一般所熟知的睡眠状态，其脑电图特征为同步化慢波，故也称慢波睡眠。此时，腺垂体生长激素分泌增多，有利于促进生长和体力恢复。异相睡眠期间各种感觉进一步减退，肌紧张和腱反射进一步减弱，睡眠更深，其脑电图特征为去同步化快波，其间还可能有间断的阵发性表现（如肢体抽动、血压升高、心率加快、呼吸不规则、眼球快速运动等）。如在此时相被唤醒，常诉说在做梦。
快波睡眠时，脑内蛋白质合成加快，与神经系统的发育成熟密切有关，可增强记忆，促进精力恢复。成年人睡眠是以慢波睡眠入睡，1～2h后转入快波睡眠，快波睡眠维持约0.5h，又转入慢波睡眠。在整个睡眠期间如此转换可达4～5次。睡眠是一种主动的生理过程。有人认为脑干网状结构尾端存在睡眠中枢，它可发放冲动经上行抑制系统传至大脑皮层，与上行激动系统相对抗。在它们的共同作用下，调节着睡眠和觉醒的相互转化。进一步的研究证明，睡眠的发生与中枢内不同递质系统功能活动有关。