Nei mammiferi e negli uccelli, il sonno può essere diviso in due categorie. In una di esse, gli occhi si muovono rapidamente. Questo si chiama sonno REM (dal rapido movimento degli occhi). La maggior parte dei sogni avviene in questa fase. Il sonno REM si verifica normalmente ad intervalli durante la notte. I periodi di sonno REM-sonno REM aumentano di lunghezza nella seconda metà della notte. Il sonno REM è stato scoperto per la prima volta nel 1952-53. La funzione del sonno REM non è ben compresa.

Il professor Nathaniel Kleitman e il suo allievo Eugene Aserinsky definirono il movimento rapido degli occhi e lo collegarono ai sogni nel 1953. Il sonno REM è stato ulteriormente descritto da ricercatori come William Dement e Michel Jouvet.

L'altra categoria, dove questo movimento degli occhi non avviene, si chiama NREM-sonno (sonno non-REM). Di solito i sogni non si verificano durante questo periodo. Ci sono tre o quattro fasi di sonno NREM-sonno. Il primo stadio dorme a malapena, o sonnecchia. Anche la fase II è un sonno leggero. Normalmente, negli esseri umani adulti, circa la metà del tempo trascorso dormendo è trascorso in un sonno leggero. Le fasi III e IV sono chiamate sonno profondo. Il sonno profondo è necessario per la crescita e la guarigione. Può essere abbastanza difficile svegliare qualcuno che è nella fase III o nella fase IV del sonno. A volte gli stadi III e IV sono combinati e chiamati stadio III.

Gli esseri umani adulti normalmente dormono in cicli da 90 a 110 minuti ciascuno. Il sonno notturno può essere di quattro o più cicli. Ogni ciclo comprende, nell'ordine: stadio I, stadio II, stadio III (IV), stadio II e REM.

Il fatto che uccelli e mammiferi mostrino entrambi sonno REM e NREM suggerisce che il tratto si è evoluto prima che i due gruppi divergessero nella loro evoluzione. Ciò suggerisce che la caratteristica REM/NREM è sia precoce e importante nell'evoluzione dei vertebrati terrestri.