I fondamenti neurologici della sonnolenza non sono stati compresi completamente. La sonnolenza potrebbe riflettere il declino dei processi che mantengono la veglia, o potrebbe scaturire da un sistema neurale distinto che agisce promuovendo il sonno. Si conoscono numerose aree del cervello che partecipano alla comparsa e al mantenimento del sonno e della veglia, come il sistema reticolare attivatore ascendente del tronco encefalico, il locus caeruleus, i nuclei dorsali del rafe e i nuclei di altre parti del tronco encefalico, il prosencefalo basale, il talamo, la corteccia e i loci dell'ipotalamo. Rimane da determinare come queste e altre strutture del cervello agiscano e interagiscano nel generare l'ESD nei vari disordini. Anche molti neurotrasmettitori e peptidi giocano un ruolo fondamentale nella manifestazione della veglia e del sonno, tra i quali l'ipocretina/oressina la noradrenalina, la serotonina, la dopamina, l'acido γ-amminobutirrico (GABA), l'acetilcolina, l'istamina, il glutammato, l'adenosina, la sostanza P, l'interleuchina 1 e le prostaglandine, solo per citarne qualcuna.