꿈은 수면 시 경험하는 일련의 영상, 소리, 생각, 감정 등의 느낌을 말한다. 꿈에서 일어나는 일들은 종종 현실에서는 일어나기 어려운 것들이며, 대부분 꿈을 꾸는 이가 제어하기 어렵다. 꿈이라는 사실도 인지하지 못한다. 일반적인 관찰에 의하면, 꿈은 REM 수면과 깊은 관련이 있다. REM 수면은 두뇌 활동이 깨어있을 때와 거의 유사하여, 연구자들은 이 시기가 가장 생생한 꿈을 꿀 때라고 추측한다.
생리학적으로 Pontine tegmentum에 위치한 REM 수면 세포로 알려진 특정 뇌간의 뉴런은 특징적으로 REM 수면 동안에 활성화된다. REM 수면 동안 특정 모노아민(노르에피네프린, 세로토닌, 히스타민)과 같은 신경전달물질의 방출은 완전히 멈춘다. 이것은 REM 이완을 야기한다. 운동신경의 단계가 자극받지 않고 근육은 움직이지 않는다. REM의 부족은 꿈 동안에 발생하는 운동을 행동으로 나타내는 REM 행동 장애를 야기하도록 디자인된 특별한 MRI로 모니터 되었다. Hong과 그의 동료들은 REM 수면 중 빠른 안구 운동과 관련된 뇌의 다감각 처리 과정을 조사했다. fMRI를 사용하여 REM 수면 동안 안구 운동이 발생할 때 일차 시각 피질, 시상 망상핵 및 다양한 감각 및 운동 통합 영역이 활성화된다는 것을 발견했다. REM과 관련된 안구 운동은 REM 위 둔덕의 투영과 뇌교의 핵에 의해 발생하고 PGO 파와 관련되어 있다. 꿈을 꾸는 동안, 본래의 시각피질은 비활성화 된다. 반면에 두 번째 공간이 활성화된다. 이것은 물체가 상상이나 시각 장면으로 나타날 때와 유사하다. 활동적으로 장면을 볼 때에 일어나는 것과는 다르다.
앞서 언급했듯이 REM 수면은 눈의 빠른 움직임이 특징이다. 또한 REM 수면 중 골격근의 활동이 거의 완전히 억제된다. 이를 REM 억제라고 하며, 꿈에서의 신체적 움직임을 방지해 자기 보호 기능을 한다. 예외적으로 안구 근육과 횡격막은 이완되지 않으며, 생존에 필수적인 기능을 유지한다. REM 수면 중 뇌파는 깨어있을 때와 유사한 저전압, 고주파수의 활동을 보이며, 대뇌피질, 특히 전두엽과 측두엽의 특정 부분은 덜 활성화된다. 반대로 번연계(특히 편도체와 해마)가 강하게 활성화된다. 이는 정서적 경험과 기억 처리와 연관된다. 심박수와 혈압은 REM 수면 중 증가하여 불규칙해질 수 있다. 이는 자율신경계 활동의 증가를 반영한다. 호흡도 불규칙해지며, 종종 얕거나 빠른 패턴을 보인다. 꿈의 정서적 내용에 따라 이러한 변동이 강화될 수 있다. REM 수면 동안 체온 조절이 멈추며, 이는 다른 수면 단계와 구별되는 특징이다. 결과적으로 환경 온도에 따른 체온 변동에 더 민감해진다. 이에 따라 너무 차갑거나 더운 환경에서는 REM 수면의 지속시간이 줄어들 수 있다. REM 수면 중에는 생리적 반응이 일어나기도 하는데 남성과 여성 모두 이 시기에 성적 흥분이 나타난다. 남성은 음경 발기, 여성은 음핵 충혈을 경험할 수 있다. 이는 꿈과는 직접적인 관련이 없으며, 생리적 시스템의 건강 점검 역할을 할 수 있다. 또한 REM 수면은 꿈이 가장 생생하고 복잡하게 나타나는 시기로, 이야기 구조를 가진 꿈을 경험할 가능성이 높다. REM 수면은 특히 정서적 기억 강화와 창의적 문제 해결에 중요한 역할을 한다.
사람들이 REM 수면을 박탈당한 다음 방해 없이 잠을 자게 되면 REM 수면에서 더 많은 시간을 보내게 되는데, 이는 REM 수면에서 잃어버린 시간을 회복하려는 노력으로 보인다. 이를 REM 리바운드라고 하며, 이는 REM 수면이 항상성적으로 조절된다는 것을 시사한다. REM 수면이 학습 및 기억과 관련된 과정에서 수행하는 역할 외에도 REM 수면은 감정 처리 및 조절에도 관여할 수 있다. 이런 경우 REM 리바운드는 실제로 각성 상태에서 발생한 역효과적 사건의 감정적 중요성을 억제함으로써 우울하지 않은 개인의 스트레스에 대한 적응적 반응을 나타낼 수 있다. 일반적으로 수면 부족은 여러가지 부정적인 결과와 관련이 있다.