Rối loạn giấc ngủ về mặt y khoa là những bất thường sinh lý ảnh hưởng trên giấc ngủ bình thường ở người hay động vật.[305] Trong đó, đo đa ký giấc ngủ (polysomnography) là một kỹ thuật phổ biến được dùng để chẩn đoán một số rối loạn giấc ngủ. Rối loạn giấc ngủ được phân loại một cách rộng rãi thành chứng khó ngủ (dyssomnias), bệnh mất ngủ giả (parasomnias), rối loạn giấc ngủ nhịp sinh học (CRSD), và các rối loạn khác bao gồm cả những bệnh tâm lý thần kinh, điển hình là bệnh mất ngủ do ký sinh trùng hay còn gọi là bệnh ngủ châu Phi (sleeping sickness).[306][307][308] Một số rối loạn giấc ngủ thường gặp (và điển hình) bao gồm có chứng mất ngủ (thể mạn), hiện tượng ngưng thở khi ngủ (nhịp thở thấp một cách bất thường trong giấc ngủ), chứng ngủ rũ (tình trạng ngủ quá mức cần thiết trong những thời điểm không thích hợp),[309][310] tê liệt nhất thời (sự mất trương lực và sức mạnh của cơ thoáng qua một cách đột ngột, nguyên nhân thường do kích thích xúc cảm mãnh liệt), và bệnh buồn ngủ (can thiệp và phá vỡ chu kỳ ngủ do các tác nhân ký sinh). Những rối loạn khác vẫn đang được nghiên cứu kỹ gồm có chứng mộng du, hội chứng giấc ngủ kinh hoàng, và đái dầm.[311][312][313][314][315][316][317][318][319]

Việc nghiên cứu về các rối loạn giấc ngủ được xem là rất hữu ích, nhằm tìm hiểu vùng nào của não sẽ bị ảnh hưởng và các chức năng liên quan chuyển đổi như thế nào. Điều này được thực hiện bằng việc so sánh mẫu mô sinh thiết nhỏ và hình ảnh quét được từ não giữa đối tượng mang rối loạn thần kinh và nhóm đối chứng. Điều trị các rối loạn giấc ngủ điển hình với các phương pháp đặc trưng như là tâm lý liệu pháp hay trị liệu hành vi nhận thức, ngoài ra các phương pháp khác có thể cũng được dùng đến. Sự chọn lựa thấu đáo về phương pháp luận trong nghiên cứu khoa học cách thức điều trị, phù hợp với tình trạng cụ thể của bệnh nhân và phụ thuộc vào chẩn đoán xác định, tiền sử bệnh tâm thần, sở thích cá nhân, cũng như là khả năng chuyên môn của thầy thuốc điều trị. Việc sử dụng các loại thuốc để điều trị hay liệu pháp tâm lý hành vi được cho là có sự tương thích, và có thể kết hợp một cách hiệu quả để tối ưu hóa các lợi ích liệu pháp.[320][321][322]

Các rối loạn giấc ngủ thường gắn liền với các bệnh thoái hóa thần kinh, với đặc trưng chủ yếu là sự tích lũy bất thường các protein alpha-synuclein, chẳng hạn như bệnh teo đa hệ thống (MSA), bệnh Parkinson (PD), và chứng mất trí nhớ thể Lewy (LBD).[67][69][323][324][325][326][327] Cụ thể hơn, những người được chẩn đoán là mắc phải bệnh Parkinson thường có nhiều vấn đề đáng lo ngại về giấc ngủ, trong đó phổ biến là chứng mất ngủ (có ở 70% dân số mắc bệnh), chứng ngủ nhiều (hơn 50% dân số mắc bệnh mắc phải), và rối loạn hành vi giấc ngủ REM (RBD) -  khoảng 40% dân số mắc PD bị rối loạn này kèm theo đó là tăng biểu hiện ra các triệu chứng vận động.[67][69][323][324][325][327] Hơn thế nữa, RBD cũng chính là điềm báo trước chắc chắn rằng là trong tương lai khoảng vài năm nữa sẽ có nguy cơ tiến triển thành các bệnh thoái hóa thần kinh, đây được xem là cơ hội quý báu nhằm phòng bệnh và tận dụng các phương pháp điều trị thích hợp.[67][69]

Đối với căn bệnh Alzheimer (AD), người ta cũng quan sát được các tác động bất thường lên giấc ngủ mà nó gây ra lên trên 45% dân số mắc phải căn bệnh này.[67][69][326] Ngoài ra, dựa trên các báo cáo của người thân họ thì tỷ lệ này thậm chí cao hơn đó là khoảng tới 70%.[328] Chẳng khác gì so với dân số mắc PD, chứng mất ngủ và ngủ nhiều cũng thường thấy ở những bệnh nhân AD, đặc tính bệnh gắn liền với quá trình tích tụ và kết tập các Beta-amyloid, ngoài ra còn có rối loạn giấc ngủ nhịp sinh học (CRSD) và sự phóng tiết melatonin đã bị thay đổi so với diễn biến sinh lý bình thường.[67][69][328] Thêm nữa, cấu trúc giấc ngủ cũng biến đổi trong bệnh AD.[67][69][326] Dẫu rằng khi tiến trình lão hóa diễn ra, cơ cấu của giấc ngủ dường như sẽ thay đổi một cách tự nhiên, ở những bệnh nhân AD hiển nhiên rằng các rối loạn như thế sẽ trở nên trầm trọng hơn nhiều. Thời lượng của SWS có thể giảm xuống (và thỉnh thoảng hoàn toàn mất hẳn), tương tự như đối với các thoi ngủ và giai đoạn REM, nhưng thời gian tới giai đoạn ngủ mơ lại tăng lên (REM latency).[328] Giai đoạn chuyển từ trạng thái thức sang ngủ của những người AD kém chất lượng, gắn liền với ảo giác liên quan đến giấc mơ, tăng thao thức, mê sảng và tình trạng lo âu, và các dấu hiệu bất thường này dường như quan hệ chặt chẽ với hội chứng hoàng hôn - như một hiện tượng và được coi là thời sinh học điển hình trong căn bệnh này.[69][328]

Các bệnh thoái hóa thần kinh sẽ gây hư hoại các cấu trúc não bộ, điều này có thể làm đảo lộn trạng thái ngủ và thức, phá vỡ nhịp sinh học, chức năng vận động và phi vận động.[67][69] Mặt khác, sự mất trật tự của các cơ chế thần kinh điều hòa giấc ngủ cũng thường có các tác động tiêu cực lên trên hệ thống những chức năng thuộc về nhận thức, trạng thái cảm xúc và cả chất lượng cuộc sống.[69][327][328] Không chỉ như thế, những triệu chứng bất thường về hành vi này đã tạo ra gánh nặng cho người thân và họ hàng.[69][327][328] Vì vậy nên, việc hiểu biết tổng thể khách quan mối quan hệ giữa các rối loạn giấc ngủ và bệnh thoái hóa thần kinh thực sự là vô cùng quan trọng, thiết yếu nên hướng về những cuộc nghiên cứu trong phạm vi giới hạn về khía cạnh trên, đồng thời thông qua các nghiên cứu cải thiện tuổi thọ cho những cá nhân mắc phải những căn bệnh này.[67][328]

Lĩnh vực khác gồm có khoa học y học giấc ngủ cung cấp các thông tin cơ sở cho việc nghiên cứu, chẩn đoán và điều trị các rối loạn về giấc ngủ và tình trạng thiếu ngủ (một trong số các nguyên nhân then chốt dẫn đến tai nạn nghiêm trọng). Chuyên khoa này còn có nhiều phương pháp chẩn đoán đặc thù bao gồm xét nghiệm đo đa ký giấc ngủ, nhật ký giấc ngủ, test ghi nhận thời gian tiềm khởi đầu giấc ngủ (MSLT),... Tương tự như thế, hướng điều trị có thể là về hành vi như liệu pháp hành vi nhận thức, hoặc bao gồm sử dụng thuốc, hay quang trị liệu.