Infine, a circa 20 minuti ipotetici circa dall'inizio del riposo, si dovrebbe quindi entrare in un sonno più profondo, detto anche a onde lente (4º stadio del sonno), ma che non è ancora il sonno REM (5º stadio del sonno), e quindi detto anche sonno N-REM (non-REM). Qui compaiono le onde delta, caratterizzate da una frequenza compresa tra 0.5 e 4 Hz e di tensione elettrica media di 150 µV. Le onde delta non sono presenti in condizioni fisiologiche nello stato di veglia nell'età adulta, sebbene siano predominanti nell'infanzia e inoltre compaiano nell'anestesia generale ed in alcune malattie cerebrali, oppure in malattie dismetaboliche generali, come l'iperazotemia.Le onde delta sono caratteristiche del sonno non R.E.M. (sonno ad onde lente). Nei diversi stadi di sonno sono presenti principalmente onde theta e onde delta (caratteristiche del sonno ad onde lente), a cui si aggiungono squarci di attività alfa e, raramente, di attività beta.