睡眠状态下机体的很多生理活动情况与醒觉时不同，其中有些改变是相对一致的贯穿于整个睡眠过程的，有些则在NREM与REM阶段各不相同。
    NREM与REM所共有的生理变化有：①肌张力：骨骼肌张力减低，全身肌肉处于松弛状态。②刺激与反射：机体对刺激的感受与反应减弱，而且不仅限于视、听、嗅、触等外感受系统，内部感受系统的情况也是如此。③内脏活动情况的改变：睡眠时心输出量减少，周围血压略有下降。胃酸分泌一般是减少的，但在患十二指肠溃疡的人则胃酸分泌增加。
    在NREM睡眠阶段，全身肌肉是松弛的，而且随着睡眠的加深，肌肉张力会越来越松弛，除每隔15－20分钟转动一次身体，或改换姿势外，其他时间安卧不动，也没有眼球运动。内脏活动总的趋势是副交感神经活动占优势，基础代谢率降低10％－15％，心率减慢，每分钟可减慢10－20次，血压下降，收缩压可降低10－30毫米汞柱，呼吸减慢，换气量减少，胃肠蠕动增加。这些内脏活动的改变随着睡眠的加深而愈趋明显。
    REM阶段的生理变化比较复杂，有的学者将其分为两种状况，一种是没有特殊活动出现的基础性状况，另一种是有肌肉阵发运动和（或）内脏活动明显变化的发作性状况。在基础状态下，没有骨骼肌的运动，全身肌张力高度松弛，内脏活动也处于相对平稳的状态。
    另一方面，贯穿着整个REM阶段．又有很多次发作性的状况出现，此时除了眼球快速运动外、面肌及四肢肌肉也可发生小的抽动，有时还可出现嘴唇的吸吮动作、喉部短促发声和手足徐动样运动。内脏活动高度不稳定，呼吸不规则，心率也经常变动，血压可暂时性升高，有时升高40毫米汞柱之多，胃酸分泌增加，胎儿的胎动增加。这就是为什么心肌梗死、卒中、溃疡病穿孔和分娩容易在晚间发作，而且往往在REM阶段发生的原因。
    此外，REM睡眠时，脑各个部分的血流量都比醒觉时明显增加，以间脑及脑干最为明显，大脑则以海马及前联合一带增加较多。REM睡眠时脑部的耗氧量也比醒觉时明显增加。
    生长激素的分泌在醒觉时较少，NREM睡眠期增多，&睡眠期分泌最多，而至REM睡睡眠期又减少，所以生长激素分泌的高峰期多数在前半夜。ACTH及皮质类固醇的分泌夜间多于白天，在REM睡眠占优势的后半夜。