睡眠時，機體的各種生理活動均處于低水平，如各種感覺減退，骨骼肌緊張性和腱反射減弱，內臟活動降低（如血壓下降、心率變慢、體溫下降、呼吸減慢、代謝率下降等）。通過對睡眠過程的觀察，發現睡眠由正相睡眠和異相睡眠兩種時相組成。

正相睡眠即一般所熟知的睡眠狀態，其腦電圖特征為同步化慢波，故也稱慢波睡眠。此時，腺垂體生長激素分泌增多，有利于促進生長和體力恢復。異相睡眠期間各種感覺進一步減退，肌緊張和腱反射進一步減弱，睡眠更深，其腦電圖特征為去同步化快波，其間還可能有間斷的陣發性表現（如肢體抽動、血壓升高、心率加快、呼吸不規則、眼球快速運動等）。如在此時相被喚醒，常訴說在做夢。

快波睡眠時，腦內蛋白質合成加快，與神經系統的發育成熟密切有關，可增強記憶，促進精力恢復。成年人睡眠是以慢波睡眠入睡，1～2h后轉入快波睡眠，快波睡眠維持約0.5h，又轉入慢波睡眠。在整個睡眠期間如此轉換可達4～5次。睡眠是一種主動的生理過程。有人認為腦干網狀結構尾端存在睡眠中樞，它可發放沖動經上行抑制系統傳至大腦皮層，與上行激動系統相對抗。在它們的共同作用下，調節著睡眠和覺醒的相互轉化。進一步的研究證明，睡眠的發生與中樞內不同遞質系統功能活動有關。