脑电波的变化是区分不同睡眠阶段的重要指标之一。根据脑电活动的特点，可以将睡眠大致分为非快速眼动睡眠（NREM）和快速眼动睡眠（REM）两个主要阶段，其中NREM又可细分为四个子阶段。
1. NREM睡眠：这一阶段占整个睡眠周期的大部分时间，按照脑电波的变化特点，可以进一步划分为四个不同的阶段。
- 第一阶段（N1或过渡期）：当人开始入睡时，脑电波从清醒状态下的β波和α波逐渐转变为低幅θ波。这个阶段通常持续几分钟，是浅睡眠的标志。
- 第二阶段（N2）：随着睡眠加深，出现纺锤波（短暂、高频率的脑电活动）和K复合波（一种特定形态的负向-正向-负向波形）。这些特征表明大脑开始进入更深层次的休息状态。此阶段大约占整个睡眠周期的一半。
- 第三阶段（N3或深睡期，之前分为NREM 3和4两个阶段）：在这一时期，慢波活动显著增加，即δ波成为主导。这种低频高幅的脑电波与身体修复、记忆巩固等功能密切相关。深睡眠对于恢复体力非常重要。
2. REM睡眠：大约入睡后90分钟左右进入第一个REM期，之后每周期重复出现。在此期间，尽管眼睛快速移动，但全身肌肉几乎完全放松（除了呼吸肌和眼肌）。脑电图显示与清醒状态相似的低幅快波活动，表明大脑处于高度活跃状态。这是梦境发生的时期。
整个夜间睡眠过程中，NREM和REM睡眠会交替进行，形成大约90-110分钟一个周期的循环模式。随着夜深，REM期逐渐延长而N3期（深度非快速眼动睡眠）则相应减少。了解这些脑电波的变化对于研究睡眠结构及其对健康的影响具有重要意义。
