Im physiologischen Schlaf werden vier Schlafstadien durchlaufen, die zyklisch wiederkehrend in einer bestimmten Abfolge auftreten. Aufgrund charakteristischer Veränderungen der Signale von Elektroenzephalogramm, Elektrookulogramm und Elektromyogramm lassen sich zwei Leichtschlafstadien, ein Tiefschlafstadium und REM-Schlaf differenzieren. In der Kardiorespiratorischen Polysomnographie werden zusätzlich Parameter der Herz-Kreislauf-Funktion registriert, sodass auch charakteristische Veränderungen der autonomen Funktionen erfasst werden. Tiefschlaf hat einen relativen Anteil von 15–20 % an der Gesamtschlafzeit und wird als Schlafstadium N3 bezeichnet. Der Muskeltonus, der sich im Leichtschlaf gegenüber dem Wachzustand verringert hat, fällt im Tiefschlaf weiter ab, sein niedrigstes Niveau erreicht er im REM-Schlaf. Das Atemminutenvolumen ist gegenüber dem Stadium Wach im Tiefschlaf um ca. 15 % verringert. Ähnlich verhalten sich die Kreislaufparameter Herzfrequenz und arterieller Blutdruck.