Studien i Scientific Reports tyder på att varje timme som spenderades med pekskärm varje dag var kopplad till 15 minuter mindre sömn.
Men de som leker med pekskärmar utvecklar sina fina motoriska färdigheter snabbare.
Experter sade att studien var "tidig" men föräldrar bör inte förlora sömn över det.
Det har skett en explosion i pekskärmar i hemmet, men det har saknats förståelse för deras inverkan på tidig barndomsutveckling.
Birkbeck, University of London, frågade 715 föräldrar till barn under tre år.
Den frågade hur ofta deras barn lekte med en smartphone eller surfplatta och om barnets sömnmönster.
Det visade att 75 % av småbarnen använde en pekskärm dagligen, och 51 % av dem mellan sex och elva månader använde en, och 92 % av dem mellan 25 och 36 månader gjorde det också.
Men barn som lekte med pekskärmar sov mindre på natten och mer på dagen.
Totalt hade de ca 15 minuter mindre sömn för varje timme av pekskärm användning.
Dr Tim Smith, en av forskarna, berättade för BBC News hemsida: "Det är inte en massiv mängd när du sover 10-12 timmar om dagen totalt, men varje minut spelar roll i ung utveckling på grund av fördelarna med sömn."
Studien är inte definitiv, men Dr Smith säger att "det verkar som om pekskärmar har en viss koppling till eventuella sömnproblem".
Men hans forskning har också visat småbarn som aktivt använder pekskärmar (swiping snarare än att titta på) påskyndar deras utveckling av motoriska färdigheter.
Bör då barn få pekskärmar att leka med?
Dr Smith säger: "Det är mycket knepigt just nu, vetenskapen är mycket omogen, vi släpar verkligen efter tekniken och det är för tidigt att göra tydliga proklamationer."
Han säger att den bästa satsningen är att följa liknande regler för hur mycket tid som spenderas framför TV:n.
Det innebär att sätta en gräns för den totala tid som spenderas på apparater, se till att barn fortfarande gör fysiska saker, se till att innehållet är åldersanpassat, och undvika skärmarna i timmen före sänggåendet.
Doktor Anna Joyce, forskare inom kognitiv utveckling vid Coventry University, sade: " Som den första studien för att undersöka sambanden mellan sömn och pekskärmsanvändning i barndomen är detta en aktuell forskning.
"I ljuset av dessa fynd och vad vi vet från tidigare forskning kan det vara värt att föräldrar begränsar pekskärmen, annan mediaanvändning och blått ljus under timmarna före sänggåendet.
"Till dess vi vet mer om hur pekskärmar påverkar sömnen bör de inte förbjudas helt", tillade hon.
Prof Kevin McConway, från The Open University, sade: " Jag skulle verkligen inte förlora någon sömn över dessa resultat, om jag fortfarande hade små barn.
"Barnen i denna studie använde en pekskärm i ca 25 minuter om dagen, ett barn som använde en pekskärm under denna genomsnittliga tid skulle sova i ca 6 minuter mindre."
Följ James på Twitter.
Toddlers som tillbringar tid med att spela på smartphones och surfplattor verkar få lite mindre sömn än de som inte gör det, säger forskare.