La physiologie du sommeil et de l'éveil est l'étude des bases neuroscientifiques et physiologiques de la nature du sommeil et de ses fonctions. Le sommeil est globalement classé en deux types de sommeil à mouvements oculaires rapides (REM) et à mouvements oculaires non rapides (NREM ou non REM).
La physiologie du sommeil implique une brève étude des mécanismes cérébraux qui contrôlent l'éveil. L'éveil est dû à l'activation des structures basales du cerveau antérieur et du tronc cérébral qui perturbent les oscillations du sommeil et présentent des changements dans le milieu extraneuronal, avec de grandes modifications dans les paramètres du flux sanguin cérébral. Si le sommeil se caractérise par des mouvements oculaires rapides pendant le sommeil, il s’agit alors du sommeil paradoxal qui est associé aux mouvements des muscles corporels et aux rêves.
L'absence de sommeil chez les individus et les formes de vie supérieures entraîne de graves conséquences physiologiques qui conduisent en outre à de graves troubles du sommeil comme le sommeil fragmenté, l'insomnie, la narcolepsie, des troubles neurologiques primaires tels que la maladie de Parkinson, la maladie d'Alzheimer et les troubles du sommeil du rythme circadien.