Der Nachtschlaf durchläuft mehrere Schlafphasen. Dabei wechseln sich Tiefschlafphasen, aus denen der Schlafende nur schwer zu wecken ist, mit Leichtschlafphasen ab. Gegen Ende des Schlafs, beim Schlafgesunden also nach etwa 6–7 Stunden, werden die verschiedenen Schlafphasen immer kürzer.

Die Einschlafphase ist der Zeitraum, in dem aus Müdigkeit Schlaf wird. Sie dauert bei manchen weniger als fünf Minuten, kann aber auch 20–30 Minuten betragen. Beim Einschlafen kommt es manchmal zu Zuckungen, die ein Zeichen für die zunehmende Entspannung unseres Körpers sind.

Der Leichtschlaf (in der Schlafmedizin Non-REM-Phasen I und II genannt) ist die Übergangszeit zwischen Tiefschlaf und REM-Phase, aber auch zwischen Tiefschlaf und Wachzustand.

Im Tiefschlaf (Non-REM-Phasen III und IV) dominieren die Regenerationsmechanismen des Schlafs: Alle Körperfunktionen werden gedrosselt; die Körpertemperatur fällt. Puls und Atmung verlangsamen sich. Im Gegensatz zu REM-Phasen (siehe unten) sind die Augäpfel komplett ruhig – deshalb der Name Non-REM. Zugleich ist dies die Zeit der Zellreparatur. Wachstumshormone, die beim Zellaufbau eine wichtige Rolle spielen, verrichten jede Nacht unverzichtbare Reparaturarbeiten an den Geweben. Auch das Immunsystem ist jetzt besonders aktiv.

In den REM-Phasen ist das Gehirn hochaktiv, der Körper dagegen völlig entspannt, aus diesem Grund hießen sie früher auch paradoxe Schlafphasen. Der heutige Name leitet sich von den in dieser Phase beobachtbaren schnellen Augenbewegungen (rapid eye movements) ab. Untersuchungen mit bildgebenden Verfahren wie der Positronen-Emissions-Tomografie zeigen eine heftige Aktivität in den mit dem Langzeitgedächtnis verknüpften Hirnarealen. Dies lässt darauf schließen, dass in dieser Phase Tagesereignisse im Gedächtnis verknüpft werden. Der Schläfer ist aus der REM-Phase noch schwerer zu wecken als aus dem Tiefschlaf – dies liegt nicht nur an der verminderten Muskelspannung, sondern auch daran, dass der Schläfer jetzt sämtliche äußeren Reize ausblendet. Forscher erklären dies damit, dass die in dieser Schlafphase stattfindende Informationsverarbeitung möglichst ungestört ablaufen soll. Durch die stark herabgesetzte Wahrnehmung der Außenwelt soll verhindert werden, dass neue Signale und Empfindungen von außen eindringen. Vereinfacht ausgedrückt entsprechen die Aktivitäten des Gehirns in der REM-Phase dem Aufräumen und Neuanordnen von Dateien auf der Festplatte bei einem PC. In einer Studie hat sich außerdem gezeigt, dass das Gehirn in der REM-Phase kreativ ist. Es kann zuvor gestellte Probleme nach einem kurzen Schlaf mit REM-Phase besser lösen.

Aufwachphase. Es kann vorkommen, dass der Schlafende schon um drei oder vier Uhr morgens zum ersten Mal richtig wach wird. Meist setzt zwar der Schlaf dann noch einmal ein; aber der Körper bereitet sich schon zunehmend auf den neuen Tag vor. Wir werden hungrig, der Magen wird stärker durchblutet, und auch die Körpertemperatur steigt an. Am Ende der Nacht ist der Kortisolspiegel in unserem Blut am höchsten.