Durant le sommeil paradoxal, plusieurs ondes cérébrales peuvent être enregistrées, dont les ondes thêta. Les ondes thêta sont des activités lentes, traduisant un sommeil léger et l'activité de fond du sommeil paradoxal. Une activité cérébrale se rapprochant de celle de l'éveil est aussi présente, et inclut les ondes alpha et bêta. Ainsi, le sommeil paradoxal se traduit par des activités cérébrales mixtes, se rapprochant de celles observées à l'éveil. Enfin, le sommeil paradoxal se caractérise par des mouvements des yeux rapides ainsi que d'une atonie musculaire. Il s'agit du stade des rêves vivides. Bien qu'il soit difficile de réveiller quelqu'un durant ce stade du sommeil, c'est à ce moment que surviennent certaines parasomnies, dont les cauchemars et le trouble comportemental en sommeil paradoxal.

Durant ce stade du sommeil, des ondes thêta et delta sont observables. Les ondes delta sont les activités les plus lentes. Elles indiquent le sommeil profond. La respiration et la fréquence cardiaque deviennent de plus en plus régulières et lentes. Les muscles sont détendus et la température corporelle est encore plus basse. Bien qu'il soit difficile de réveiller quelqu'un durant ce stade du sommeil, c'est à ce moment que surviennent certaines parasomnies, dont le somnambulisme, les éveils confusionnels ou les terreurs nocturnes. Le sommeil profond est généralement suivi du sommeil paradoxal, et ainsi le cycle continu. The American Academy of Sleep Medicine (AASM).

Le sommeil lent léger se compose de l'endormissement au stade 1 et également du stade 2. Le stade 2 représente les premiers pas du sommeil. Les ondes enregistrées durant ce stade sont majoritairement des ondes thêta, comme celles présentent durant le sommeil paradoxal. Des fuseaux du sommeil (train d'activités rapides, de type alpha) et des complexes K (ondes lentes de courte durée, de type delta) sont également observables. Les yeux roulent doucement et la respiration et les fréquences cardiaques ralentissement. Les muscles sont détendus (immobiles) et la température est basse. Il est facile de réveiller quelqu'un durant ce stade du sommeil.

À l'éveil, le cerveau émet des ondes bêta ou des ondes alpha. Les ondes bêta sont les activités les plus rapides. Elles indiquent une activation globale du cortex. Il s'agit de l'état d'éveil avec stimulation (travaillant à l'ordinateur). Les ondes alpha sont également des activités rapides, mais traduisent plutôt un état d'éveil calme (allongé sur un banc de parc).