A fisiologia do sonho foi compreendida pela primeira vez em 1953, com a análise do ciclo do sono humano. Descobriu-se que, nos humanos, o sono se inicia pelo estado hipnagógico, período de vários minutos durante os quais os pensamentos consistem em imagens fragmentadas ou pequenas cenas. O estado hipnagógico é seguido pelo sono de ondas lentas, assim chamado porque, durante esse periodo, as ondas cerebrais do neocórtex (a camada circunvoluta mais externa do cérebro) apresentam freqüências baixas e de grande amplitude. Esses sinais são medidos como registros de eletroencefalograma (EEG). Os pesquisadores descobriram também que o sono noturno é entremeado por períodos em que os registros do EEG apresentam freqüências irregulares a amplitudes baixas - similares as observadas em indivíduos acordados. Esses períodos de atividade mental são chamados de sono REM. Os sonhos ocorrem somente durante esses períodos. Os neurônios motores são inibidos durante o sono REM, o que impede o corpo de se mover livremente, embora permita que suas extremidades permaneçam ligeiramente ativas. Os olhos movem-se rapidamente em sincronia sob as pálpebras fechadas, a respiração toma-se irregular e a freqüência cardíaca aumenta.
O primeiro estágio REM da noite ocorre 90 minutos após o sono de ondas lentas e dura 10 minutos. O segundo e terceiro períodos REM ocorrem após breves episódios de sono de ondas lentas, mas tornam-se progressivamente mais longos. O quarto e último intervalo dura de 20 a 30 minutos e é seguido pelo despertar. Se um sonho for lembrado, trata-se, freqüentemente, do sonho que ocorreu durante esta última fase.