对于睡眠和梦的生理机制的研究很早就开始，如弗洛伊德对梦的解释和巴甫洛夫的睡眠理论广为流传。然而对睡眠机制的深入认识时间较短，40－50年代对脑干网状结构的研究曾一度解释睡眠和梦的生理机制。脑干上部的网状上行激活系统对维持觉醒状态起重要作用；桥脑下部网状结构对睡眠起重要作用；脑干上部与脑干下部网状结构的相互作用维持正常的睡眠与觉醒周期。60年代，借助成熟的电生理技术找到了睡眠类型和梦的生理指标。
如人类的睡眠可以分为两种类型，即慢波睡眠和异相睡眠，根据脑电活动和行为变化的平行性，慢波睡眠又可分四期，即入睡期、浅睡期、中睡期和深睡期；在慢波睡眠之后是异相睡眠期，人的每晚睡眠大约有慢波睡眠和异相睡眠交替变化4－6个周期所组成。并由于慢波睡眠和异相睡眠所占的比例不同决定睡眠的性质和质量。70年代，脑化学通路理论的成熟为睡眠和梦的生理机制的研究提供了新的前景。
证明脑内存在着一些关键性结构，其生理、生化过程的维持和转变对睡眠具有重要意义。对于慢波睡眠，关键性结构是缝际核、孤束核和视前区、前脑基底部；对于异相睡眠，关键性结构是桥脑大细胞区、蓝斑中小细胞、外侧膝状体神经元和延脑网状大细胞核等结构；两类核团的不同神经元对视前区的视交叉上核的双重交替控制形成了睡眠与觉醒交替及慢波睡眠和异相睡眠变化。另外，与睡眠有关的化学物质是单胺类神经递质、胆碱类神经递质和多肽等。对于睡眠和梦的许多问题仍须深入研究。
