Sömnstadierna kan delas in i två breda kategorier: icke-REM-sömn och REM-sömn (Rapid Eye Movement). Icke-REM-sömn kan ytterligare delas upp i steg N1, N2 och N3. Sättet som sömnforskare delar in sömn i stadier har förändrats flera gånger sedan kategoriseringen av sömnstadier började i slutet av 1930-talet. Stadierna beskrevs första gången 1937 av Loomis et al, sedan uppdaterades 1957 med upptäckten av Rapid Eye Movement, den djupaste sömnperioden, där nästan alla minnesvärda drömmar inträffar. En uppdatering 2007, som anges i The AASM Manual for Scoring of Sleep and Associated Events, publicerad av American Academy of Sleep Medicine (AASM), slog samman det tredje och fjärde sömnstadiet, vilket bara lämnade ett tredje stadium.
Sömnstadierna klassificeras med hjälp av en mängd olika metoder, inklusive mätning av EEG-vågor (i dagligt tal kallade ”hjärnvågor”), fysiologiska indikatorer och subjektiva rapporter. N1 definieras mest som hjärnans övergång från alfavågor (med en frekvens på 8 till 13 Hz, vanlig för vakna människor) till thetavågor (med en frekvens på 4 till 7 Hz). N1 är på gränsen mellan sömn och vaken, känd som ”sömnig sömn” eller somnolens. Gemensamt för detta stadium är korta, ofrivilliga ryckningar som kallas hypniska ryck, såväl som hypnagogiska bilder, som kan inkludera fosfener (suddiga färgglada fläckar) eller formkonstanter (mönstrade mentala bilder).
Det andra av sömnstadierna är N2. De karakteristiska tecknen på N2-sömn är ”sömnspindlar”, 0.5-1 sekunders EEG-hopp av 12-16 Hz-vågor och ”K-komplex”, korta spänningstoppar på EEG som varar under en liknande lång tid och följer sömnspindlar i skurar. K-komplex är kända för att uppstå slumpmässigt under hela N2-sömnen, men uppstår också som svar på hörselstimuli, till exempel om någon knackar på dörren till en sovande person. Under N2 försvinner den medvetna medvetenheten om den yttre miljön och musklerna slappnar av. N2 utgör ungefär hälften av sömntiden hos vuxna.
Den tredje av sömnstadierna är N3, eller slow wave sleep (SWS). Slow wave sleep kännetecknas av deltavågor, (0.5 till 4 Hz), även kallade deltarytmer. Ovanliga sömneffekter, kallade parasomnier, inträffar i detta skede och inkluderar nattskräck, sängvätning, sömngång och sömnsamtal. Om en person blir berövad sömn förfaller en person till N3- och REM-sömn mycket snabbt, vilket tyder på att båda är nödvändiga.
Det sista sömnstadiet, som officiellt anses vara en del av N3, är det mest kända sömnstadiet, känt som REM-sömn. REM-sömn är där drömmar uppstår och ögonen växlar runt snabbt, troligen spårar drömobjekt. De flesta drömmar glöms bort, även under REM, men de flesta minns åtminstone vagt, om inte tydligt, förekomsten av drömmar under REM-sömn.