Fase 1: Adormecimiento
La fase 1 del sueño, que supone menos del 5% del sueño total, está constituida por los periodos transicionales entre la vigilia y el sueño. No sólo aparece cuando nos estamos quedando dormidos sino también entre los distintos ciclos del sueño. En esta fase perdemos progresivamente la conciencia del entorno. Frecuentemente aparecen pródromos de la actividad onírica conocidos como alucinaciones hipnagógicas, sobre todo en niños y en personas con narcolepsia. Durante el adormecimiento se registran principalmente ondas alfa, que también se dan cuando estamos relajados durante la vigilia, especialmente con los ojos cerrados. Además empiezan a aparecer ondas theta, que indican una relajación aún mayor. Así, la actividad cerebral propia de la fase 1 es similar a la que se produce mientras estamos despiertos, y por tanto en estos periodos es habitual que nos despierten ruidos relativamente poco intensos.

Fase 2: Sueño ligero
El sueño ligero sigue a los periodos de adormecimiento. Durante la fase 2 la actividad fisiológica y la muscular disminuyen significativamente y la desconexión con el entorno se intensifica, de forma que el sueño se vuelve cada vez más profundo. Esto se relaciona con la mayor presencia de ondas theta, más lentas que las alfa, y la aparición de los husos del sueño y los complejos K; estos términos describen oscilaciones en la actividad cerebral que promueven el sueño profundo, inhibiendo la posibilidad de despertarse. La fase 2 del sueño es la más frecuente de las cinco, llegando a constituir aproximadamente el 50% del sueño nocturno total.

Fases 3 y 4: Sueño delta o profundo
En el modelo de Dement y Kleitman el sueño profundo está compuesto por las fases 3 y 4, aunque la diferenciación teórica entre ambas ha perdido popularidad y hoy en día se suele hablar de ambas conjuntamente. El sueño lento ocupa entre un 15 y un 25% del total; aproximadamente un 3-8% corresponde a la fase 3, mientras que el 10-15% restante se engloba en la fase 4. En estas fases predominan las ondas delta, que se corresponden con el sueño más profundo. Es por ello que estos periodos son conocidos habitualmente como "sueño de ondas lentas". Durante el sueño lento la actividad fisiológica se encuentra muy disminuida, aunque el tono muscular aumenta. Se considera que nuestro cuerpo descansa y se recupera más marcadamente en estas fases que en el resto. Muchas parasomnias son características del sueño de ondas lentas; en concreto, durante estas fases se producen la mayor parte de los episodios de terrores nocturnos, sonambulismo, somniloquia y enuresis nocturna.

Fase 5: Sueño de ondas rápidas o REM
Los movimientos oculares rápidos que se producen durante esta fase le dan su nombre más conocido: MOR, o REM en inglés ("rapid eye movements"). Otros signos físicos del sueño REM son la fuerte disminución del tono muscular y el aumento de la actividad fisiológica, de forma opuesta al sueño profundo. También se conoce a las fases REM como sueño paradójico porque durante esta fase es difícil que nos despertemos a pesar de que las ondas cerebrales predominantes son las beta y las theta, similares a las de la vigilia. Esta fase constituye un 20% del sueño total. La proporción y duración del sueño REM aumenta progresivamente a medida que la noche avanza; esto se relaciona con la mayor presencia de sueños vívidos y narrativos durante las horas que preceden al despertar. Del mismo modo, en la fase REM se dan las pesadillas. Se cree que el sueño REM es fundamental para el desarrollo cerebral y la consolidación de recuerdos nuevos, así como su integración con los que ya existían. Un argumento a favor de estas hipótesis es el hecho de que la fase REM es proporcionalmente mayor en niños.