Em mamíferos e aves, o sono pode ser dividido em duas categorias. Em uma delas, os olhos se movem rapidamente. Isto é chamado de sono REM (de movimento rápido dos olhos). A maioria dos sonhos ocorre nesta fase. O sono REM ocorre normalmente em intervalos durante toda a noite. Os períodos de sono REM aumentam em comprimento na segunda metade da noite. O REM-sleep foi descoberto pela primeira vez em 1952-53. A função do sono REM não é bem compreendida.
O professor Nathaniel Kleitman e seu aluno Eugene Aserinsky definiram o movimento rápido dos olhos e o ligaram aos sonhos em 1953. O sono REM foi descrito mais detalhadamente por pesquisadores como William Dement e Michel Jouvet.
A outra categoria, onde este movimento dos olhos não acontece, é chamada NREM-sleep (sono não-REM). Normalmente, os sonhos não acontecem durante este tempo. Há três ou quatro estágios do sono NREM. O estágio I mal dorme, ou adormece. A Etapa II também é o sono leve. Normalmente, em humanos adultos, cerca da metade do tempo gasto no sono é gasto em sono leve. As Etapas III e IV são chamadas de sono profundo. O sono profundo é necessário para o crescimento e a cura. Pode ser bastante difícil despertar alguém que está na fase III ou na fase IV do sono. Às vezes, os estágios III e IV são combinados e chamados de estágio III.
Humanos adultos normalmente dormem em ciclos de 90 a 110 minutos cada. A noite de sono pode ser de quatro ou fina desses ciclos. Cada ciclo inclui, nesta ordem: estágio I, estágio II, estágio III (IV), estágio II e REM.
O fato de que tanto as aves como os mamíferos mostram o sono REM e NREM sugere que o traço evoluiu antes que os dois grupos divergissem em sua evolução. Isso sugere que a característica REM/NREM é tanto precoce quanto importante na evolução dos vertebrados terrestres.