La nuit arrive enfin et viens l'heure du coucher, notre sommeil est alors fractionné en plusieurs parties. Une nuit de sommeil se déroule en cycle qui se répètent, 4 à 6 fois par nuit, composés chacun de phases similaires, relativement ponctuelles. Il est possible de mesurer les ondes émises par le cerveau pendant chaque étape du sommeil grâce à l'EEG. D'abord, survient l'éveil calme, où nous sommes en position allongée, les yeux fermés, et nous nous détendons peu à peu. Les réactions aux stimulis extérieurs sont diminuées mais l'éveil reste encore très facile, si un bruit survient par exemple, il peut être provoqué. Durant cette phase, des rêves courts ou des hallucinations peuvent survenir, mais ce sont plus souvent des pensées errantes qui traversent notre esprit, souvent ayant un lien avec le quotidien. Les ondes alpha, de fréquence 12 à 18 cycles par seconde et d'amplitude 50 microvolts, propre à l'éveil, laissent la place aux ondes bêta, plus lentes de fréquence 8 à 12 cycles par seconde. Au niveau du corps, les mouvements sont toujours possibles.
Cette phase peut se diviser en deux, la somnolence, durant laquelle la vigilance se réduit, le tonus musculaire diminue et la fréquence cardiaque baisse puis l'endormissement (Stade I) qui a ses ondes propres, les ondes thêta, encore plus lentes que les ondes bêta, puisque leur fréquence est de 4 à 8 cycles par seconde, elles amorcent les stades suivants.
Ensuite, c'est le sommeil lent qui regroupe 3 stades, avec tout d'abord le sommeil lent léger (Stade II) qui constitue 50 % du temps du sommeil. Pendant cette phase, la plupart des stimulis extérieurs n'atteint pas le cortex sensoriel du cerveau, nous sommes par conséquent insensibles aux bruits ou aux variations de lumières extérieures, même s'il est encore possible d'être réveillé. Les dormeurs réveillés à ce stade se souviennent de quelques détails et de quelques scènes de leurs rêves. L'onde émise par le cerveau est de forme invariable appelée « fuseau du sommeil » dont la fréquence croit et décroit de 15 à 18 cycles par seconde. Elle est caractéristique de notre perte de conscience.
Le sommeil lent profond (Stade III) succède au léger et constitue pour sa part 20 % à 25 % du temps du sommeil. Il est très difficile d'être réveillé durant cette phase, le niveau de réactivité est en effet au plus bas durant cette phase. Les fonctions vitales, comme la fréquence cardiaque et la respiration, ralentissent et deviennent plus régulières. Il y a atonie musculaire, les mouvements oculaires ou musculaires sont impossibles. Plus nous vieillissons, plus la durée de cette phase diminue, elle est pourtant essentielle à notre organisme. Les ondes delta s'entremêlent aux « fuseaux du sommeil », elles sont extrêmement lente, 1 à 4 cycles par seconde, et de grande amplitude, 200 microvolts.
Ces ondes prennent progressivement le dessus, et sont prédominantes durant la phase de sommeil profond (Stade IV), dans lequel nous sommes plongés davantage dans le sommeil.
C'est ensuite, une phase très agitée qui prend place, la phase de sommeil paradoxal. En effet, comme son nom l’indique, durant cette phase, l’activité du cerveau est très forte, et se rapproche de celle de l'état d’éveil puisque des ondes bêta font irruption. Nous sommes pourtant toujours endormis durant cette phase puisqu’il est très ardu de réveiller quelqu’un qui est en sommeil paradoxal. Le corps est aussi inerte car il subit toujours une atonie musculaire mais les mouvements des yeux sont rapides, ce qui témoigne de l'activité intense du cerveau pendant cette phase. La respiration est irrégulière, comme la fréquence cardiaque qui croit et décroit. Ces éléments constituent une rupture avec les autres phases de sommeil. Les personnes réveillées à ce stade se souviennent de leurs rêves dans les moindres détails. Cela résulte sûrement, de l’activité importante du cerveau qui produit des rêves plus élaborés, souvent étranges, et donc plus marquants. Cette phase de sommeil est probablement indispensable à notre corps, puisqu'elle compose 20 à 25% du temps du sommeil. Toutefois sa fonction précise reste inconnue, de nombreuses hypothèses ont été émises quant à l’utilité de cette phase, mais aucune n’a été scientifiquement prouvée.
A la fin d'un cycle de sommeil, une phase très courte, ponctuée de micro-réveils, la phase dite intermédiaire prend le relais. Elle débouche soit sur un nouveau cycle de sommeil ou soit sur un réveil complet, terminant une nuit de sommeil. Nous allons maintenant expliquer plus en détail l'utilité de ces phases de sommeil pour notre organisme.