睡眠是一个复杂的生理过程，在睡眠状态下脑电会发生一系列有规律的变化，根据睡眠的不同阶段，脑电呈现出不同的特征。

睡眠可以分为非快速眼动睡眠（NREM）和快速眼动睡眠（REM）两大阶段，其中非快速眼动睡眠又可进一步分为四个时期。在清醒状态下，脑电主要表现为频率较高、波幅较小的β波，频率为14 - 30Hz。当人开始放松并进入困倦状态时，脑电逐渐出现频率稍慢、波幅稍大的α波，频率为8 - 13Hz。

进入非快速眼动睡眠的第一期，这是入睡的开始阶段，脑电呈现低电压的混合频率，α波逐渐减少，被一些低波幅的慢波所取代，频率在4 - 7Hz的θ波开始出现，这个阶段很容易被外界刺激唤醒。第二期，脑电出现睡眠纺锤波和K - 复合波，睡眠纺锤波是短暂的12 - 14Hz的波串，K - 复合波是一个负相的高波幅慢波紧接着一个正相波，此阶段睡眠逐渐加深。第三期和第四期被合称为慢波睡眠，脑电中出现大量的高波幅慢波，即频率低于4Hz的δ波，其中第三期δ波占20% - 50%，第四期δ波超过50%，这两个阶段是深度睡眠时期，机体在此阶段进行重要的生理修复和能量储备，很难被唤醒。

快速眼动睡眠阶段，脑电又出现类似清醒状态下的低电压、高频的β波，但此时眼球会快速转动，肌肉张力极低，此阶段与梦境的产生密切相关。整个睡眠过程中，非快速眼动睡眠和快速眼动睡眠会交替出现，大约每90 - 120分钟为一个周期，一夜通常会经历4 - 5个周期，脑电也会随着睡眠周期的循环而呈现周期性的变化。