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睡觉时，大脑并非完全休息，而是在不同阶段进行着活跃且重要的工作。睡眠主要分为两个主要类型：非快速眼动睡眠和快速眼动睡眠。这两种睡眠类型又细分为不同的阶段，大脑在每个阶段的活动模式都不同。
非快速眼动睡眠分为三个阶段。N1阶段是浅睡眠，大脑活动开始减慢，脑电波从清醒时的α波变为θ波。N2阶段是较深睡眠，出现特有的睡眠纺锤波和K复合波，有助于阻断外部刺激。N3阶段是深睡眠，以慢速高振幅的δ波为主，此时最难被唤醒，身体进行重要的生理修复。
快速眼动睡眠阶段的脑电波模式与清醒时非常相似，但身体肌肉却处于几乎完全麻痹的状态。眼球在眼皮下快速移动，心率和呼吸变得更快且不规律。大多数生动、离奇的梦境发生在这个阶段。REM睡眠对情绪调节、学习和程序性记忆的巩固非常重要。
整个睡眠过程是NREM和REM阶段交替出现的周期性循环，一夜通常有4到6个这样的周期，每个周期约90到120分钟。前半夜深睡眠较多，后半夜REM睡眠增加。大脑通过这种复杂的周期性活动模式，完成身体修复、记忆巩固和情绪调节等关键任务。
大脑通过睡眠的复杂活动模式，完成多项关键任务：身体修复和能量恢复、信息处理和整理、记忆巩固和强化、情绪调节、清除代谢废物以及增强免疫系统。这些功能确保大脑为白天的清醒状态做好充分准备。睡眠不仅是休息，更是大脑维持最佳状态的必需过程。