Στα θηλαστικά και τα πτηνά, ο ύπνος μπορεί να χωριστεί σε δύο κατηγορίες. Στη μία από αυτές, τα μάτια κινούνται γρήγορα. Αυτό ονομάζεται ύπνος REM (από το rapid eye movement, ταχεία κίνηση των ματιών). Τα περισσότερα όνειρα λαμβάνουν χώρα σε αυτή τη φάση. Ο ύπνος REM συμβαίνει κανονικά σε διαστήματα καθ' όλη τη διάρκεια της νύχτας. Οι περίοδοι του ύπνου REM αυξάνονται σε διάρκεια κατά το δεύτερο μισό της νύχτας. Ο ύπνος REM ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά το 1952-53. Η λειτουργία του ύπνου REM δεν είναι καλά κατανοητή.
Ο καθηγητής Nathaniel Kleitman και ο μαθητής του Eugene Aserinsky όρισαν την ταχεία κίνηση των ματιών και τη συνέδεσαν με τα όνειρα το 1953. Ο ύπνος REM περιγράφηκε περαιτέρω από ερευνητές όπως ο William Dement και ο Michel Jouvet.
Η άλλη κατηγορία, όπου αυτή η κίνηση των ματιών δεν συμβαίνει, ονομάζεται NREM-ύπνος (Non-REM sleep). Συνήθως, τα όνειρα δεν συμβαίνουν κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου. Υπάρχουν τρία ή τέσσερα στάδια του NREM-ύπνου. Το στάδιο Ι είναι ο ύπνος που μόλις και μετά βίας κοιμάται, ή ο λήθαργος. Το στάδιο ΙΙ είναι επίσης ελαφρύς ύπνος. Κανονικά, στους ενήλικους ανθρώπους, περίπου ο μισός χρόνος που κοιμούνται περνούν στον ελαφρύ ύπνο. Τα στάδια III και IV ονομάζονται βαθύς ύπνος. Ο βαθύς ύπνος είναι απαραίτητος για την ανάπτυξη και την επούλωση. Μπορεί να είναι αρκετά δύσκολο να ξυπνήσει κάποιος που βρίσκεται στο στάδιο III ή στο στάδιο IV του ύπνου. Μερικές φορές τα στάδια III και IV συνδυάζονται και ονομάζονται στάδιο III.
Οι ενήλικες άνθρωποι κοιμούνται συνήθως σε κύκλους 90 έως 110 λεπτών ο καθένας. Ο νυχτερινός ύπνος μπορεί να αποτελείται από τέσσερις ή πρόστιμο από αυτούς τους κύκλους. Κάθε κύκλος περιλαμβάνει, με αυτή τη σειρά: στάδιο Ι, στάδιο ΙΙ, στάδιο ΙΙΙ (IV), στάδιο ΙΙ και REM.
Το γεγονός ότι τόσο τα πτηνά όσο και τα θηλαστικά παρουσιάζουν ύπνο REM και NREM υποδηλώνει ότι το χαρακτηριστικό αυτό εξελίχθηκε πριν οι δύο ομάδες αποκλίνουν στην εξέλιξή τους. Αυτό υποδηλώνει ότι το χαρακτηριστικό REM/NREM είναι τόσο πρώιμο όσο και σημαντικό στην εξέλιξη των χερσαίων σπονδυλωτών.