在科学科技的帮助下，量度（对某种不能直接测量、观察或表现的东西进行测量或指示的手段）脑电波的electroencephalography（EEG），量度睡眠时肌肉活动的electromyograph （EMG）和量度睡眠时眼球运动的electrooculograph（EOG），我们现在已经知道睡眠可以基本分为四个阶段，每个阶段的脑电波的频率和特征都不样。
第一阶段（stage 1）睡眠亦是浅层睡眠（light sleep），脑电波频率开始变慢（4~7Hz, Theta waves），呼吸心跳开始变慢，体温亦开始慢慢下降，在这一阶段有一个很常见的现像就是Hipnic jerks，就是肌肉会突然抽搐，我想大家都一定会试过，这种抽搐很多时会伴随着一些影像例如你梦见自己从高处堕下或者走路踩进了路边的渠道等。
第二阶段（stage 2） 也就是你完全入睡的阶段，这时候脑电波会伴随着一些间歇性的高频率波段（sleep spindles） 和间歇性的高震幅波段（K-complexes），这些特殊的电波是大脑正在工作封阻外界刺激对于我们的影响的证据（大脑不会在睡眠时休息），亦有研究支持这些sleep spindles对形成记忆有重要作用。而K-complexes则是大脑准备进入深层睡眠的先兆。
第三和第四阶段（slow-wave sleep, SWS），也就是人们常说的深层睡眠阶段（deep sleep），这时候的脑电波变得频率更小（小于4Hz）但震幅较大，我们称之为Delta waves。一般来说，由入睡开始计30分钟后就会进入深层睡眠，然后停留30分钟。
经历完第四阶段后，又会回到第三、第二、然后会来到一个非常有趣的阶段叫REM stage （Rapid Eye Movement）。睡眠是以周期（cycles）式运行的，每个周期大约90分钟，所以一晚8小时的睡眠大约会有5个周期呢。
眼球快速移动睡眠（REM sleep）
由第一阶段（浅层睡眠）进入第二阶段，再进入深层睡眠的第三及四阶段（又称为slow wave sleep），完成了深层睡眠时大约为入睡后的一小时，这时候睡眠阶段向后回转，重回到第三阶段，然后第二阶段，第二阶段后进入一个非常非常特别的睡眠阶段，叫REM stage （Rapid Eye Movement 快速眼球移动阶段）。
进入REM sleep后，脑电波变得较高频及急促，脑电波的类型就介乎于清醒和第一阶段睡眠的混合体（就好像是一半是醒的一半是刚入睡的）。而量度睡眠时眼球运动的EOG在这个时候量到了高速的眠球转动（也就是这个阶段的名称由来）。而在身体反应和脑部反应上，这个叫REM Stage的睡眠阶段也是十分特别。
在REM stage中，除了刚才所说的眼球快速移动之外，身体上还有几个重要表现。第一就是身体肌肉基本会瘫痪（为了让肌肉彻底放松。这里也是“鬼压床”科学解释的地方）；第二就是不论男女性器官都会有反应（这里也是测试男性不举是由于生理或心理原因的一个可利用的地方，若是心理原因引致不举的话，在REM sleep时是有勃起情况的）。
另外，在REM sleep 中有一些脑部区域的反应会比较强烈例如visual association cortex （视觉联系区域），amygdala （负面情绪反应中心）等，这些脑部反应都和梦的发生息息相关，因为REM sleep和梦是有高度相连性。大家要知道，睡眠以周期运行，每个周期都会进入REM sleep，所以一晚（以8小时睡眠计算）大家都大约发梦四至五次。为什么你觉得自己没有做梦？那只是因为你忘记了罢了。
尽管我们常常会将梦的发生和REM sleep产生联系，但是梦是不只会发生在REM sleep之中的，在深层睡眠时也会有梦境的发生。在REM sleep中产生的梦比较具情绪及戏剧化，十分脱离现实十分奇异，但在深层睡眠中产生的梦境则较为具逻辑性且沉闷。在现代科学的角度下，梦并没有意义，它只是由于脑细胞在睡眠时工作所产生出的副产品。
睡眠的周期
睡眠是以周期运作的，一周期大约90分钟，而在每个周期中，REM sleep大约占了30分钟。若你从深层次睡眠中被唤醒，你将感到十分难受及迷迷糊糊，但若你从REM sleep中被唤醒的话，你会感觉得精神及能集中精神。
从上图中大家可以一眼看出一个八小时的睡眠过程中各种阶段睡眠的分布。你可以看到，深层次睡眠（stage3/4）只会发生在前半晚，而REM sleep的持续时会慢慢变长，当接近起床时间时，又会慢慢地变短。
