Lo "stadio REM" è caratterizzato da un EEG a bassa tensione con frequenze miste. L'EEG del sonno REM 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. Lo stadio prende il nome dai movimenti oculari rapidi e per il basso tono dei muscoli mentonieri. Inoltre questa fase è caratteristica per la paralisi dei muscoli (per evitare di mimare i sogni) e perché è quella in cui si verificano prevalentemente i sogni. Il cervello consuma ossigeno e glucosio come se il soggetto fosse sveglio e stesse svolgendo un'attività intellettuale. Se ci si sveglia in questa fase si è perfettamente orientati. Questo stadio è caratterizzato anche da un controllo più impreciso delle funzioni vegetative dell'organismo, infatti la pressione arteriosa aumenta e subisce sbalzi, la frequenza cardiaca aumenta e possono comparire extrasistoli, aumenta la frequenza respiratoria che si fa più irregolare, inoltre è in parte compromessa la termoregolazione. Salvo disfunzioni fisiologiche, si verifica anche erezione del pene nell'uomo e possono occorrere modificazioni genitali nella donna. Il sonno REM tende a ridursi con l'avanzare dell'età e raggiunge un picco all'età di 1 anno per poi diminuire in favore del sonno non-REM.