Die Schlafphasen können in zwei große Kategorien unterteilt werden: Nicht-REM-Schlaf und REM-Schlaf (Rapid Eye Movement). Nicht-REM-Schlaf kann weiter in die Stadien N1, N2 und N3 unterteilt werden. Die Art und Weise, wie Schlafwissenschaftler den Schlaf in Phasen einteilen, hat sich seit Beginn der Kategorisierung von Schlafstadien in den späten 1930er Jahren mehrmals geändert. Die Stadien wurden erstmals 1937 von Loomis et al. beschrieben und 1957 mit der Entdeckung von Rapid Eye Movement, der tiefsten Schlafphase, in der fast alle denkwürdigen Träume auftreten, aktualisiert. Ein Update aus dem Jahr 2007, das in The AASM Manual for the Scoring of Sleep and Associated Events, veröffentlicht von der American Academy of Sleep Medicine (AASM), dargelegt wurde, führte die dritte und vierte Schlafphase zusammen, sodass nur eine dritte Phase übrig blieb.
Die Schlafstadien werden mit verschiedenen Mitteln klassifiziert, einschließlich der Messung von EEG-Wellen (umgangssprachlich als „Gehirnwellen“ bekannt), physiologischen Indikatoren und subjektiven Berichten. N1 wird hauptsächlich als Übergang des Gehirns von Alphawellen (mit einer Frequenz von 8 bis 13 Hz, üblich bei wachen Menschen) zu Thetawellen (mit einer Frequenz von 4 bis 7 Hz) definiert. N1 liegt an der Grenze zwischen Schlaf und Wachzustand, bekannt als „schläfriger Schlaf“ oder Somnolenz. Gemeinsam mit dieser Phase sind kurze, unfreiwillige Zuckungen, die als hypnische Zuckungen bekannt sind, sowie hypnagoge Bilder, die Phosphene (unscharfe bunte Flecken) enthalten oder Konstanten (gemusterte mentale Bilder) bilden können.
Die zweite Schlafphase ist N2. Die charakteristischen Zeichen des N2-Schlafs sind „Schlafspindeln“, 0.5-1 sekündige EEG-Sprünge von 12-16 Hz-Wellen und „K-Komplexe“, kurzzeitige Spannungsspitzen im EEG, die ähnlich lange andauern und Schlafspindeln folgen in Stößen. Es ist bekannt, dass K-Komplexe zufällig während des gesamten N2-Schlafs auftreten, aber auch als Reaktion auf akustische Reize auftreten, beispielsweise wenn jemand an die Tür einer schlafenden Person klopft. Während N2 verschwindet die bewusste Wahrnehmung der äußeren Umgebung und die Muskeln entspannen sich. N2 macht bei Erwachsenen etwa die Hälfte der Schlafzeit aus.
Die dritte Schlafphase ist N3 oder Slow Wave Sleep (SWS). Der Slow-Wave-Schlaf ist durch Delta-Wellen (0.5 bis 4 Hz) gekennzeichnet, die auch Delta-Rhythmen genannt werden. In diesem Stadium treten ungewöhnliche Schlafeffekte auf, die als Parasomnien bezeichnet werden, und umfassen Nachtschrecken, Bettnässen, Schlafwandeln und Schlafgespräche. Bei Schlafentzug verfällt eine Person sehr schnell in den N3- und REM-Schlaf, was darauf hindeutet, dass beides wichtig ist.
Die letzte Schlafphase, offiziell als Teil von N3 angesehen, ist die bekannteste Schlafphase, bekannt als REM-Schlaf. Im REM-Schlaf treten Träume auf und die Augen bewegen sich schnell, wahrscheinlich verfolgen sie Traumobjekte. Die meisten Träume werden vergessen, sogar während des REM-Schlafs, aber die meisten Menschen erinnern sich zumindest vage, wenn nicht lebhaft, an das Vorhandensein von Träumen während des REM-Schlafs.