Os estágios do sono podem ser divididos em duas grandes categorias: sono não REM e sono REM (movimento rápido dos olhos). O sono não REM pode ainda ser dividido em Estágios N1, N2 e N3. A maneira como os cientistas do sono dividem o sono em estágios mudou várias vezes desde que a categorização dos estágios do sono começou no final da década de 1930. Os estágios foram descritos pela primeira vez em 1937 por Loomis et al, depois atualizados em 1957 com a descoberta do Movimento Rápido dos Olhos, o período mais profundo do sono, onde ocorrem quase todos os sonhos memoráveis. Uma atualização em 2007, apresentada no Manual AASM para Pontuação de Sono e Eventos Associados, publicado pela Academia Americana de Medicina do Sono (AASM), mesclou o terceiro e o quarto estágio do sono, deixando apenas um terceiro estágio.
Os estágios do sono são classificados usando uma variedade de meios, incluindo medição de ondas EEG (coloquialmente conhecidas como ondas cerebrais), indicadores fisiológicos e relatórios subjetivos. N1 é definido principalmente como a transição do cérebro de ondas alfa (com uma frequência de 8 a 13 Hz, comum em pessoas acordadas) para ondas teta (com uma frequência de 4 a 7 Hz). N1 está na fronteira entre o sono e a vigília, conhecido como sono com sono ou sonolência. Comuns a este estágio são os espasmos involuntários conhecidos como hipnose, bem como imagens hipnagógicas, que podem incluir fosfenos (manchas coloridas difusas) ou constantes de forma (imagens mentais padronizadas).
O segundo estágio do sono é N2. Os sinais característicos do sono N2 são “fusos de sono”, saltos EEG de 0.5-1 segundo de ondas de 12-16 Hz e “complexos K”, breves picos de voltagem no EEG que duram por um período de tempo semelhante e seguem os fusos de sono em rajadas. Sabe-se que os complexos K ocorrem aleatoriamente durante o sono N2, mas também ocorrem em resposta a estímulos auditivos, por exemplo, se alguém bate na porta de uma pessoa que está dormindo. Durante o N2, a percepção consciente do ambiente externo desaparece e os músculos relaxam. O N2 representa cerca de metade do tempo de sono em adultos.
O terceiro estágio do sono é N3, ou sono de ondas lentas (SWS). O sono de ondas lentas é caracterizado por ondas delta (0.5 a 4 Hz), também chamadas de ritmos delta. Efeitos incomuns do sono, chamados de parassonias, ocorrem neste estágio e incluem terror noturno, enurese noturna, sonambulismo e fala durante o sono. Se privada de sono, a pessoa cai no sono N3 e REM muito rapidamente, o que sugere que ambos são essenciais.
O último estágio do sono, oficialmente considerado uma parte do N3, é o estágio mais famoso do sono, conhecido como sono REM. O sono REM é onde os sonhos ocorrem e os olhos se movem rapidamente, provavelmente rastreando objetos oníricos. A maioria dos sonhos é esquecida, mesmo durante o REM, mas a maioria das pessoas, pelo menos vagamente, senão vividamente, lembra-se da presença dos sonhos durante o sono REM.