Hiện tượng mơ chính là hàng loạt các hình ảnh, suy nghĩ, cảm xúc, cảm giác vận hành một cách tương tục, và xuất hiện một cách không tùy ý trong tâm trí trong các giai đoạn giấc ngủ (chủ yếu là giai đoạn REM).[329] Nội dung và mục đích của giấc mơ cho đến hiện tại vẫn hoàn toàn chưa được hiểu rõ,[330][331] dù rằng đã có nhiều lý thuyết ra đời mang tính chất gợi ý. Khoa học nghiên cứu giấc mơ được biết đến qua thuật ngữ oneirology, tức môn mộng học.[332][333][334][335][336][337][338]

Đã có nhiều lý thuyết cố gắng mô hình hóa dựa trên nền tảng thần kinh cho giấc mơ. Điều này bao gồm cả lý thuyết phát động tổng hợp — phát biểu rằng mơ là kết quả của quá trình hoạt hóa thân não trong giấc ngủ REM;[339] lý thuyết hoạt hóa liên tục — ám chỉ rằng là dù ý thức có hay không sự hiện hữu, não bộ luôn luôn trong trạng thái hoạt động để duy trì các chức năng thích đáng và hoàn chỉnh. Việc tổng hợp nên giấc mơ và giai đoạn REM đều chịu sự chi phối của nhiều cấu trúc khác nhau trong não, khi đến thời điểm thích hợp sẽ được kích hoạt; và việc ngủ mơ sẽ kích thích sự hình thành ký ức dài hạn[340] — lý thuyết này đã tuyên bố rằng quá trình truyền động cho sự lưu giữ ký ức dài hạn diễn ra ưu thế trong thời gian cá thể thức, tuy nhưng đối với giấc ngủ lại khác, các thay đổi này sẽ được kiểm soát và có được chuyển động biểu kiến của những phân tử nhớ.

Ngoài ra cũng có nhiều lý thuyết khoa học khác nhằm mô tả chức năng của mơ.[341][342][343] Một số nghiên cứu khẳng định rằng chính giấc mơ sẽ tăng cường trí nhớ ngữ nghĩa.[344][345] Lý luận này dựa trên thuộc tính truyền tin cho nhau giữa hồi hải mã và cấu trúc vỏ não mới, và cũng là do mối liên hệ cơ sở giữa ngủ và nhớ. Cũng có một nghiên cứu đưa ra giả thuyết là mơ sẽ xóa các dữ liệu tạp nham và phế thải trong bộ nhớ não.[346][347] Hơn nữa các chức năng khác của mơ bao gồm có xử lý cảm xúc thích ứng với hoàn cảnh và điều chỉnh lại tâm trạng. Dựa trên dữ liệu thực nghiệm, sự trải nghiệm giấc mơ dữ không hoàn toàn là có hại, các vùng não chịu trách nhiệm cho việc kiểm soát cảm xúc đã phản ứng với các tình huống gây sợ hãi có hiệu quả hơn nhiều.[348] Người ta cũng phát hiện ra là có mối tương quan đáng kể về các kích thích gây ra đáp ứng lo lắng và sợ hãi giữa trạng thái thức và ngủ, tức là con đường vận hành thần kinh diễn ra trong cùng một thể thức với cùng một cơ quan (thùy đảo và vỏ não đai giữa). Các nghiên cứu cũng chứng minh rằng các vùng thùy đảo, vỏ não đai, hạch hạnh nhân đóng vai trò trong việc quản lý cảm xúc sẽ bị ít kích hoạt hơn khi gặp những cảm xúc tiêu cực nhiều trong giấc mơ, trong khi đó vùng vỏ não trước trán trong (mPFC) có xu hướng hoạt động mạnh mẽ để áp đảo các xúc cảm như thế,[349] giới chuyên gia cho rằng là vùng mPFC đóng vai trò điều hòa đáp ứng cho các kích thích mang tính đe dọa thông qua việc điều chỉnh hoạt động thể hạnh nhân.[350][351][352] Cụ thể hơn, mPFC có tác dụng kiểm soát ức chế các biểu hiện sợ hãi bằng cơ chế giảm tải các tín hiệu đầu ra của hạnh nhân, vùng này được cho là gắn liền với dạng học tập dập tắt (extinction learning). Tất cả đều nhất quán với các tuyên bố trước rằng là vai trò của mơ có thể kiêm luôn cả việc điều hòa cảm xúc.[353][354][355][356]

Đứng từ quan điểm tiến hóa, giấc mơ có thể mô phỏng và gợi lại các sự kiện được cho là nguy hiểm, điều này phổ biến ngay trong môi trường nguyên thủy mà khi đó tổ tiên của các sinh vật ngự trị, bằng những sự "tập dượt giả lập" trong mơ đó vì thế chúng sẽ có thể đối phó với các mối nguy hiểm một cách linh động. Nguyên nhân này đã dẫn đến các biến đổi mang tính di truyền qua các thế hệ, khi những sự kiện mang tính sống còn không còn nữa, thay vào đó toàn bộ diễn biến và hiện tượng được lưu trữ lại dưới dạng các gen ký ức.[357][358] Lý thuyết này cũng có sự thống nhất với lời tuyên bố rằng giấc ngủ REM chính là biến đổi tiến hóa và ngày càng hoàn thiện, của một cơ chế phòng vệ đã được biết đó là phản xạ chết cứng.[54][55]

Nhiều lý thuyết về chức năng mơ đã mâu thuẫn nhau và nảy sinh tranh cãi, nhưng nhìn chung là các chức năng ngắn hạn có thể tác động qua lại, phối hợp để tạo ra thay đổi sinh lý dài hạn.[9] Đáng lưu ý rằng vẫn chưa có các bằng chứng nào đủ sức thuyết phục nhằm chứng minh các lý thuyết này là đúng.

Sự tổ chức các sự kiện nhớ trong lúc thức vào giấc mơ cũng được nghiên cứu tích cực, và nhiều nhà khoa học họ đã cố gắng chứng minh chức năng mơ có thể bao gồm cả việc củng cố trí nhớ tình tiết.[359][360]

Các nhà khoa học cũng nghiên cứu cơ sở thần kinh của những ác mộng.[361] Những cuộc nghiên cứu xác nhận sự tăng tần suất các cơn ác mộng có mối tương quan nhất định với mức độ stress cao.[222][362][363][364][365][366] Nhiều mô hình mô tả quá trình hình thành ác mộng bao gồm mô hình tân Freud, và các mô hình khác chẳng hạn mô hình bối cảnh hóa hình ảnh, mô hình ranh giới ảo, mô hình giả lập mối đe dọa,...[367] Tình trạng mất cân bằng các hóa chất dẫn truyền điện năng cũng được xem như là gây ra các giấc mơ đáng sợ, cũng như có sự loạn năng trong hệ thống mạng thần kinh- một mô hình mà khẳng định rằng giấc mơ xấu là kết quả của sự rối loạn các chức năng bình thường của mạch nơron liên quan đến việc mã hóa và kiến tạo giấc mơ.[368][369] Cũng giống như thế, các mô hình này không đưa ra được các bằng chứng cụ thể nào, cũng như đưa ra các kết luận đáng tin cậy, và cần thêm nhiều cuộc nghiên cứu hơn nữa trong tương lai để giải đáp cho những thắc mắc mà giới khoa học hiện đang phải đối mặt.