在睡眠过程中有一系列生理变化，包括意识水平下降，感觉和反射的阈值的增高，心率、呼吸减慢，血压下降，肌张力降低，基础代谢率降低，交感神经活动减低而副交感神经兴奋性增高等。正常睡眠周期分为两个时相，即非快速动眼睡眠（NREM）,又称慢波睡眠，和快速动眼睡眠（REM）,又称快波睡眠或反相睡眠。NREM期根据睡眠深度进一步分为Ⅰ—Ⅳ期。整个睡眠过程周期性变化的过程如下：
一．思睡期（early drowsiness）：
思睡期即睡眠潜伏期，此时出现困意。脑电图表现为α节律变得不连续，逐步变为散发α波，并被逐渐增多的散发低波幅2—7Hz慢波活动取代，其间夹杂15—25Hz更的快波活动，这种现象称为α解体。α解体后的同步化图形应与清醒睁眼或警觉状态下的去同步化区别，前一种状态慢波成份较多，后一种状态以α和β频段的快波为主。思睡状态时轻微刺激即可使α节律重新出现，通常波幅更高，有时分布更广。思睡状态后期可出现正发性中—高波幅4—6Hz的θ节律发放，以中央顶去为主，可波及更广泛的区域，在婴幼儿特别突出，称之为“催眠节律”。
二．非常浅睡期（very light sleep）：
也称入睡期，即NREM睡眠Ⅰ期。此期最重要的标志是在α解体的基础上出现顶尖波。顶尖波是一种诱发反应的复合电位，通常与环境中轻微的声音或触觉刺激有关，也可自发出现，最大波幅位于颅顶Cz—Pz的位置，相当于额中线后部铺助运动区的后部，可波及更大的范围，双侧对称或交替一侧突出，可单独出现，也可以1s左右的间隔连续出现。
思睡期出现的另一种生理性睡眠波为睡眠中一过性枕区正相尖波（POSTS），可持续到浅睡期甚至深睡期，多见于青少年至中年人，健康成年人的出现率为50%—80%,70岁以后减少。POSTS出现的部位、波形和位相与清醒期扫视物体时引起的λ波十分相似，惟出现时间给状态不同。有人推测POSTS是日间视觉皮层信息的“回放”，类似正常人浅睡期的催眠性幻象。
三．浅睡期(light sleep)：
即NREM睡眠Ⅱ期。进入此期后顶尖波逐渐减少，仍有POSTS甚至增多。浅睡期的主要标志是出现14Hz左右（12.5—15.5Hz）的睡眠纺锤，最大波幅位于颅顶区，在双侧额、中央、顶区都很明显，可波及到前额和颞区。随着睡眠进程的加深，睡眠纺锤的频率有所减慢，空间分布也有变化，到浅睡期末，纺锤频率减至12Hz左右（11—13.5Hz），最大波幅位于额中线区。进入深睡期后进一步减慢至10Hz左右，并转变为6—10Hz的节律性活动，以前额区突出。
浅睡期还可出现比较多的K—综合波。K—综合波实际上是顶尖波和睡眠纺锤的组合，是一种轻微的脑电觉醒反应。
浅睡期的背景以低—中波幅θ频段的慢波活动为主，但随着睡眠的加深，中—高波幅σ波逐渐增多。
四．中睡期（moderate sleep）：
即NREM睡眠Ⅲ期，由浅睡期逐渐过度而来，没有明显的标志性波。随着睡眠深度增加，0.75—3Hz高波幅σ波逐渐增加，一般将σ数量占25%—50%作为NREM睡眠Ⅲ期。本期睡眠纺锤逐渐减少，频率稍慢（12Hz左右），且以额区最显著。额区可见6—10Hz节律性活动。外界刺激仍可引起K—综合波。此期仍可见POSTS.
少数健康成年人表现为α睡眠图形，特征为节律性7—11Hz活动，夹杂σ频段的慢波活动，额区最突出，在NREM睡眠Ⅲ期最明显，有时表现为一定的周期性。
五．深睡期（deep sleep）：
即NREM睡眠Ⅳ期，睡眠进一步加深，以高波幅σ波为主，数量超过50%，睡眠纺锤逐渐消失，较强刺激时偶有K—综合波。深睡期肌张力降低，不易唤醒，各项生理指标多在稳定的低水平活动。儿童从深睡期觉醒常伴有觉醒障碍如夜惊、梦游等，遗尿也常出现在这一期。
六．REM睡眠期：
REM睡眠可从NREM睡眠的Ⅱ期、Ⅲ期或Ⅳ期突然转变而来，中间常有短暂的脑点觉醒反应伴翻身等躯体运动。REM期的突出标志是快速眼球运动，可通过眼动图记录。
REM睡眠期脑电图为持续中等波幅的混合波，主要为θ波和低波幅σ波，类似于NREM睡眠Ⅰ期或Ⅱ期，但没有顶尖波、睡眠纺锤或K—综合波，波幅比较平稳。每一段REM睡眠期持续约20—30分钟。
REM睡眠期肌张力消失，不易唤醒，但各项生理指标活跃而不稳定，常有面部或肢体肌肉小的抽动，呼吸和心率不平稳。如从这一起主动或被动唤醒，常能回忆在做梦。
REM睡眠经过一段时间后，一般逐渐转变为NREM睡眠Ⅱ期，表现为类似REM睡眠的背景上出现越来越明显的睡眠纺锤。
七．觉醒期（awake）：
严格来说，觉醒是指从睡眠到清醒的一个动态过程，持续保持清醒则称为觉醒状态。正常人可从睡眠周期的任何一个阶段觉醒，在没有外来刺激的情况下，通常从NREM睡眠Ⅰ期或Ⅱ期觉醒。也可从NREM睡眠Ⅲ期、Ⅳ期或REM睡眠期被唤醒，但觉醒阈值较高。
觉醒过程中脑电图表现为突然出现中—高波幅的θ节律，从额区开始并迅速向后头部扩散，持续5—10s，其中常混有运动引起的肌电活动，其前常有K—综合波或顶尖波。觉醒时的这种脑电活动现象在小儿表现尤为突出，成人可能不明显。
正常人上述睡眠各阶段周期性重复出现。入睡时首先进入NREM睡眠，从Ⅰ期到Ⅳ期逐渐进展，但时常有反复，然后从Ⅰ期以外的任何一期进入REM睡眠期。NREM睡眠和REM睡眠交替出现一次为一个睡眠周期。正常成人全夜约有4—6个睡眠周期。
