Giai đoạn ngủ REM đây là giai đoạn thường xuất hiện trong khoảng 60 – 90 phút sau khi ngủ và thường lặp lại sau đó khoảng 90 phút khi cơ thể chuyển sang giai đoạn ngủ mới. Thông thường thời lượng REM sẽ dài hơn vào buổi tối nhất là khuya và gần sáng. Khi tiến vào giai đoạn này cơ thể sẽ bắt đầu tê liệt, các cơ bắp khó chuyển động. Nhịp thở sẽ tăng nhanh, đồng thời sẽ bất thường hơn.

Giai đoạn này thường được cho là giai đoạn không mang ý nghĩa trong chu kỳ giấc ngủ, tuy nhiên nó sẽ chiếm đến hơn 50% thời lượng giấc ngủ. Khoảng thời gian này cơ thể chỉ đang bắt đầu chìm vào giấc ngủ và thường sẽ rất dễ tỉnh giấc. Mắt bạn sẽ chuyển động chậm và cơ bắp dần thả lỏng để tiến vào giai đoạn mới.

Trong giai đoạn này nhiều người thường gặp phải các cơn co thắt của cơ bắp một cách đột ngột – thường được gọi là hiện tượng co giật mạnh.

Trung bình, người trưởng thành thường dùng hầu hết thời gian mỗi đêm để dành cho giai đoạn này. Trong thời gian này nhịp thở và nhịp tim dần ổn định và đều đặn hơn. Đồng thời mắt sẽ bắt đầu ngừng chuyển động. Bạn dần chìm sâu vào giấc ngủ và không bị ảnh hưởng bởi những tiếng động hay chuyển động xung quanh. Bên cạnh đó, nhiệt độ cơ thể sẽ giảm dần. Sóng não (được đo bằng điện cực) cũng chậm hơn. Thỉnh thoảng, não bộ sẽ xuất hiện những đợt sóng nhanh (sleep spindle) do các thay đổi trong cơ thể. 

Ngoài ra, nồng độ hormone cortisol trong cơ thể sẽ giảm dần. Sau đó, mức độ cortisol sẽ tăng trở lại trong suốt đêm để giúp cơ thể tỉnh táo vào buổi  sáng.

Đây là giai đoạn của giấc ngủ giúp phục hồi nguồn năng lượng cho cơ thể, đồng thời sửa chữa và phát triển các mô cơ. Bên cạnh đó, giai đoạn này sẽ giúp cơ thể tăng khả năng hồi phục những tổn thương bên trong cơ thể. Trong giai đoạn này, chỉ số huyết áp của bạn sẽ giảm dần nhịp thở sẽ chậm lại. Đồng thời, mắt của bạn sẽ ngừng di chuyển và các cơ bắp sẽ dần thả lỏng và rơi vào trạng thái thư giãn. Trong giai đoạn 3 này này, sóng não sẽ chậm hơn – sóng delta sẽ xuất hiện xen kẽ cùng các sóng nhỏ và nhanh hơn. 

Ở giai đoạn 4, não của bạn sẽ tạo ra hầu hết các đợt sóng delta riêng biệt.

Sự cung cấp máu đến các cơ bắp sẽ tăng nhanh hơn. Lúc này, các hormone sẽ được sản sinh (như hàm lượng hormone tăng trưởng – hormone đóng vai trò cho sự tăng trưởng cũng như phát triển của cơ thể, kể cả các cơ bắp)