Nel sonno REM, raggiungibile mediamente dai 20 ai 40 minuti circa dall'inizio dell'addormentamento e ripetuto più volte durante un lungo sonno, ad esempio quello notturno, dove compaiono onde miste alfa ma soprattutto onde Beta, come se si fosse in attivo stato di veglia, ed è questo il tipico sonno onirico (tipico del sogno). L'EEG del sonno REM infatti ricorda molto quello dello stadio 1 se non per le caratteristiche scariche di onde con la caratteristica morfologia a 'dente di sega'. Compaiono le onde PGO (ponto-genicolo-occipitali), l'attività dell'ippocampo si fa sincronizzata con la comparsa di onde theta.