Một trong những câu hỏi quan trọng trong việc nghiên cứu giấc ngủ đó là làm thế nào để có thể định nghĩa một cách chính xác và rõ ràng về trạng thái ngủ. Vấn đề này được đặt ra là bởi vì ngủ không phải là trạng thái sinh lý bình thường mà là trạng thái mật thiết với ý thức,[21][22] vì vậy không có một định nghĩa rõ ràng nào về tập hợp các cơ chế tối thiểu gây ra hiện tượng ngủ, đồng thời cắt nghĩa và phân biệt nó với các trạng thái (có một phần hoặc không) ý thức khác. Điều này thực sự phức tạp bởi vì cần phải nghiên cứu hiện tượng này ở nhiều loài khác nhau.

Sự thiếu đáp ứng đối với các tín hiệu cảm giác đầu vào, ức chế tín hiệu vận động đầu ra, giảm bớt các chức năng nhận thức; chính là các đặc trưng của một giấc ngủ, cũng chính là trạng thái đảo ngược của thức (có thể đảo ngược nhanh chóng với nó).[23] Tuy nhiên là để chuyển đổi hiện tượng này sang định nghĩa sinh học là khó khăn, bởi vì không có một mạch nơron nào trong bộ não có thể độc lập thực hiện chức năng ngủ và sự điều hòa hưng phấn - ức chế thần kinh. Một trong số các giả thuyết sớm nhất ra đời cho rằng ngủ là do sự bất hoạt cấu trúc vỏ não và đồi thị (hay còn gọi là nội đồi),[24] dựa trên sự vắng mặt các đáp ứng tín hiệu cảm giác của cả năm giác quan. Tuy nhiên, điều này là không có căn cứ khi người ta đã quan sát thấy cả vỏ não và đồi thị vẫn trong trạng thái hoạt động ở một số pha ngủ. Sự thật là cấu trúc đồi thị chỉ bất hoạt đi sự chuyển tải thông tin cảm giác lên vỏ não.[25]

Đã có nhiều quan sát về giấc ngủ bao gồm có quá trình suy biến hoạt động giao cảm, đồng thời tăng cường hoạt động phó giao cảm trong giấc ngủ non-REM, đặc biệt trong giấc ngủ REM có sự tăng nhịp tim và huyết áp, trong khi đáp ứng cân bằng nội môi và trương lực cơ giảm.[26][27] Tuy nhiên là các hiện tượng trên không đặc hiệu cho nhiều trạng thái ngủ khác nhau; không giúp vạch ra được một định nghĩa cụ thể trên phương diện sinh lý học.

Gần đây nhất với sự phát triển vượt bậc của khoa học thần kinh (neuroscience), câu hỏi được đặt ra lại được tiếp tục xoáy sâu, với các nghiên cứu được thực hiện bằng việc quan sát tổng thể sự vận động điện não thông qua kỹ thuật EEG đặc trưng.[28] Mỗi một giai đoạn ngủ và trạng thái thức đều có các loại sóng EEG riêng biệt, và như vậy có thể xác định được các giai đoạn của một giấc ngủ. Thức thường đặc trưng bởi sóng beta (12–30 Hz) và gamma (25–100 Hz) phụ thuộc vào hoạt động của não bộ trong điều kiện nào, căng thẳng hay thư giãn chẳng hạn.[29] Khi quá trình ngủ bắt đầu vận hành, tương ứng cá thể biểu hiện ra hiện tượng lừ đừ buồn ngủ, các tần số sóng năng động này suy giảm đi sau đó chuyển thành sóng alpha (8–12 Hz), tiếp tục chuyển thành theta (4–10 Hz), cũng là lúc bắt đầu đi vào giai đoạn 1 của giấc ngủ NREM.[30] Tần số sẽ càng giảm hơn nữa khi tiến tới giai đoạn sâu của giấc ngủ NREM. Sóng điện não có biên độ thấp nhất khi trong trạng thái cảnh giác và thức tỉnh (10–30μV) và tăng lên trong nhiều giai đoạn ngủ (NREM). Giai đoạn 2 đặc trưng có những đợt ngắt xung điện ngủ, hay nói cách khác là hiện diện các thoi ngủ (thuật ngữ sleep spindle trong EEG, tức những khoảng sóng gián đoạn mang tần số 12–14 Hz, ngoài ra còn có tên gọi là sóng sigma) và phức hợp K (K complex). Theo định nghĩa của AASM, phức hợp K là sóng nhọn âm theo sau bởi sóng nhọn dương, 2 pha và thường đối xứng, với tổng thời gian ≥0.5 s và biên độ lớn nhất tại vùng trán, cũng là "sự kiện điện thế động lớn nhất trong điện não đồ theo thời gian."[31] Giai đoạn 3 có nhiều các dạng sóng sigma hơn,[32][33][34] cùng với giai đoạn 4 xuất hiện các dạng sóng delta với biên độ rất cao (0–4 Hz), vì thế còn được gọi là giấc ngủ sóng chậm.[35] Giấc ngủ REM đặc trưng điển hình là tồn tại các sóng não đồ với biên độ thấp và tần số không đồng bộ (với dạng răng cưa thường gặp). Vì là sóng não không đồng bộ nên điện não REM rất giống điện não lúc thức tỉnh có hoạt động não. Mặc dù là trong trạng thái ngủ nhưng điện não đặc trưng cho sự thức tỉnh, vì các đặc điểm trên nên người ta gọi giấc ngủ REM là giấc ngủ không đồng bộ hay còn gọi là giấc ngủ nghịch thường.[36]