Die Schlafforschung studiert das Verhalten und sämtliche körperlichen Prozesse und Bewusstseinsvorgänge während des Schlafs, sowie die Wechselwirkung zwischen Schlafen und Wachen und dem Schlaf und der Umwelt. Es gibt Grundlagenforschung (Chronobiologie, Stoffwechselvorgänge, Gehirnaktivität, Träumen, Lernprozesse), Klinische Forschung (Schlafstörung) und angewandte Forschung (Schichtarbeit). Die Somnologie ist ein allgemeinerer Begriff und bezeichnet die Lehre vom Schlaf, wozu neben der Schlafforschung auch die Schlafmedizin gehört. Ein Wissenschaftler, der sich mit diesem Gebiet beschäftigt, wird Somnologe genannt.

Die Schlafforschung als Wissenschaft ist ein relativ junges Teilgebiet der Medizin. Sie entstand erst, nachdem in den 1950er Jahren die REM-Phase (Rapid Eye Movement) beim Schlaf des Menschen entdeckt wurde. Die Weltgesundheitsorganisation unterscheidet in ihrer Internationalen Klassifizierung von Krankheiten 88 verschiedene Schlafstörungen. Diese sind neben den Grundlagen der Schlaf-Wach-Regulation, Untersuchungsgegenstand der Schlafforschung.

So wurde beispielsweise entdeckt, dass Menschen ähnlich reagieren, wenn sie in der REM-Phase (Traumschlaf) geweckt werden. Sie sind, je nach Trauminhalt, rasch wach und können sich an einen Traum erinnern. Bei Weckungen aus dem Tiefschlaf dagegen fällt das Erwachen schwer und die Probanden können sich nicht so häufig an Trauminhalte erinnern. Heute ist bekannt, das sowohl die NONREM- und REM-Schlaf-Phasen maßgeblich an der Langzeitspeicherung von Gedächtnisinhalten beteiligt sind.

Die verschiedenen Schlafphasen erkennt man, indem man die Gehirnströme, Muskelaktivität und die Augenbewegung misst und diese visuell oder rechnergestützt analysiert. Der REM-Schlaf ist gekennzeichnet durch schnelle salvenartige horizontale Augenbewegungen, einer Lähmung der Muskulatur (Bewegungsunfähigkeit), hoher Gehirnaktivität und gelegentlichen Zuckungen.