Os sonhos lúcidos geralmente acontecem durante o sono REM. O sono não é um estado uniforme, mas é caracterizado por uma série de estágios (1,2,3,4 e REM) que se distinguem por certas características fisiológicas. O sono REM, abreviatura de "Rapid Eye Movement" (ou Movimento Rápido dos Olhos), é pronunciado como se escreve, e não "R.E.M.".

Os estágios de 1 a 4 são muitas vezes agregados sob o rótulo de sono não-REM (NREM). Os estágios 3 e 4 são também chamados de sono "delta", devido a grande quantidade de ondas cerebrais de baixas freqüências que são produzidas.

Apesar disto ser uma grossa redução da complexidade de eventos fisiológicos e mentais que acontecem durante o sono, pesquisas têm demonstrado que muitos sonhos lúcidos vívidos ocorrem no sono REM.

Este estágio é caracterizado por uma atividade cerebral com baixa amplitude nas freqüências das ondas cerebrais, supressão do tônus muscular "esquelético", movimentos rápidos dos olhos, e ocasionalmente pequenas contrações musculares. Os ciclos dos estágios do sono se repetem durante toda a noite.

O primeiro período REM normalmente acontece depois de um período de sono delta, aproximadamente 90 minutos depois do sono começar, e dura de 5 a 20 minutos. Os períodos REM ocorrem a cada 90 minutos durante toda a noite, com o último período REM acontecendo a intervalos curtos e muitas vezes sendo longo, algumas vezes durando mais de uma hora.

A maior parte do sono REM acontece na segunda metade da noite. Como nós sabemos que o sonho lúcido acontece no sono REM?

O Dr. Stephen LaBerge e seus colegas da Universidade de Stanford provaram isto através de sinais deliberados, com o movimento dos olhos, dados por sonhadores lúcidos durante o sono REM. A maioria dos músculos do corpo estão paralisados no sono REM para evitar que realizemos com nosso corpo aquilo que sonhamos.

Contudo, como os olhos não estão paralisados, se você move deliberadamente seus olhos "oníricos" em um sonho, seus olhos físicos se mexem também. Os alunos de LaBerge dormiram em um laboratório, enquanto as normas padrões do sono fisiológico (ondas cerebrais, tônus muscular e movimento dos olhos) eram registradas.

Assim que se tornavam lúcidos, eles mexeram seus olhos em um movimento amplo e completo esquerda-direita-esquerda-direita, tanto quanto fosse possível. Isto deixou um registro irrefutável dos movimentos dos olhos.

Análises destes registros mostraram que, em todos os casos, os movimentos dos olhos marcando o momento quando os alunos perceberam que estavam dormindo ocorreram na metade de um inconfundível sono REM. LaBerge fez vários experimentos sobre o sonhar lúcido usando o movimento dos olhos como método de sinalização, demonstrando interessantes conexões entre as ações oníricas e respostas fisiológicas. Algumas são descritas em seus livros.