在睡眠过程中，脑电图发生各种不同变化，这些变化随着睡眠的深度而不同。根据脑电图的不同特征，又将睡眠分为两种状态：非眼球快速运动睡眠(又称正相睡眠、慢波睡眠、同步睡眠、安静睡眠、NREM睡眠)和眼球快速运动睡眠(又称异相睡眠、快波睡眠、去同步化睡眠、活跃睡眠、REM睡眠，还称雷姆期现象)，二者以是否有眼球阵发性快速运动及不同的脑电波特征相区别。
非眼球快速运动睡眠阶段，全身肌肉松弛，没有眼球运动，内脏副交感神经活动占优势。心率、呼吸均减慢，血压降低，胃肠蠕动增加，基础代谢率低，脑部温度较醒觉时稍降低，大脑总的血流量较醒觉时减少。非眼球快速运动睡眠以其脑电图特征分为四期：第一期，脑电波以θ波为主，不出现纺锤波或K综合波，实际上是由完全清醒至睡眠之间的过渡阶段，对外界刺激的反应减弱，精神活动进入飘浮境界，思维和现实脱节；第二期，脑电波为纺锤波与K综合波，δ波少于20%，实际上人已经进入了真正的睡眠，而属于浅睡；第三期，脑电波δ波占20%～50%，为中等深度睡眠；第四期，脑电波δ波占50%以上，属于深睡，不易被唤醒。
眼球快速运动睡眠阶段，出现混合频率的去同步化的低波幅脑电波。眼球快速运动，面部及四肢肌肉有很多次发作性的小抽动，有时或出现嘴唇的吸吮动作，喉部发出短促声音，手足徐动，内脏活动高度不稳定，呼吸不规则，心率经常变动，胃酸分泌增加，有时阴茎勃起，脑各个部分的血流量都比醒觉时明显增加；而以间脑和脑干最为明显，大脑则以海马及前联合一带增加较多，脑耗氧量也比醒觉时明显增加。
应该说明的是，睡眠分期是为了研究方便而根据脑电波和生理表现人为划定的，实际上各个睡眠阶段很难划出明确的界线，往往是逐渐变化，重叠交错，各有所侧重的。人的睡眠，一夜中大约有4～6个睡眠周期出现，互相连接，周而复始。
首先，从上床就寝到开始入睡之间的时间，我们称之为入睡潜伏期，成年人一般为20～23分钟。然后进入NREM睡眠第一期，大约经过0.5～7分钟，即进入NREM睡眠第二期；30～38分钟后，进入NREM睡眠的第三期及第四期(合称δ睡眠)，持续约数分钟至1小时；再回到NREM 睡眠第二期；大约在开始入睡后70～90分钟，进入REM睡眠，通常只有5分钟左右；接着再回到NREM睡眠第二期，也即第二个睡眠周期的开始。
从第二个睡眠周期开始，δ睡眠逐渐缩短，而REM睡眠逐渐延长，每隔90分钟左右为一个周期；后半夜NREM睡眠第四期、第三期越来越少，渐至第四期消失；而REM睡眠甚至可达60分钟，且其生理表现(眼球快速运动)和心理表现(作梦)也越来越强烈。
一般年轻人在一夜的睡眠中，NREM睡眠第一期约占5%～10%，第二期约占50%，第三期及第四期共占约20%，REM睡眠约占20%～25%。从儿童期到老年期，随着生长、发育渐至衰老，REM睡眠和NREM睡眠第三期、第四期逐渐减少，60岁以后基本上没有NREM睡眠第四期，夜间醒转的次数增加。
