การหายใจมีความสม่ำเสมออย่างน่าทึ่ง ทั้งในด้านความกว้างและความถี่ ในช่วงหลับแบบ NREM ที่คงที่ ช่วงหลับแบบ NREM ที่คงที่นี้มีดัชนีความแปรปรวนต่ำที่สุดในบรรดาทุกระยะของการนอนหลับ ปริมาณการหายใจต่อนาทีลดลง 13% ในช่วงหลับระยะที่ 2 ที่คงที่ และลดลง 15% ในช่วงหลับแบบคลื่นช้าที่คงที่ (ระยะที่ 3 และระยะที่ 4) อัตราการไหลเข้าเฉลี่ยลดลง แต่ระยะเวลาการหายใจเข้าและระยะเวลาของรอบการหายใจยังคงไม่เปลี่ยนแปลง ส่งผลให้ปริมาตรการหายใจเข้าออกโดยรวมลดลง

จากการศึกษาในผู้ใหญ่ที่มีสุขภาพดี 19 คน พบว่าปริมาณการหายใจต่อนาทีในระหว่างการนอนหลับแบบ NREM อยู่ที่ 7.18 ± 0.39 ( SEM ) ลิตร/นาที เมื่อเทียบกับ 7.66 ± 0.34 ลิตร/นาที ในขณะตื่น^{[ 1 ]}

ในระหว่างการนอนหลับแบบ NREM การทำงานของกล้ามเนื้อ ซี่โครงในการช่วยหายใจจะเพิ่มขึ้น โดยส่วนใหญ่เกิดจากการเคลื่อนไหวไปด้านข้าง และสามารถตรวจพบได้จากการเพิ่มขึ้นของความแรงของสัญญาณ EMG ในระหว่างการหายใจ การทำงานของ กล้ามเนื้อกระบังลมเพิ่มขึ้นเล็กน้อยหรือไม่มีการเปลี่ยนแปลง และ การทำงาน ของกล้ามเนื้อหน้าท้องเพิ่มขึ้นเล็กน้อยในระหว่างช่วงการนอนหลับเหล่านี้

ความต้านทานของทางเดินหายใจเพิ่มขึ้นประมาณ 230% ในระหว่างการนอนหลับแบบ NREM คุณสมบัติความยืดหยุ่นและความต้านทานการไหลของปอดไม่เปลี่ยนแปลงในระหว่างการนอนหลับแบบ NREM การเพิ่มขึ้นของความต้านทานส่วนใหญ่มาจากทางเดินหายใจส่วนบนในบริเวณหลังกล่องเสียง การทำงานของ กล้ามเนื้อขยาย หลอดลมส่วนบนลดลงในระหว่างการนอนหลับแบบ NREM ซึ่งส่งผลให้ความต้านทานเพิ่มขึ้น และสะท้อนให้เห็นใน ความผันผวนของความดัน หลอดอาหาร ที่มากขึ้น ในระหว่างการนอนหลับ กล้ามเนื้อช่วยหายใจอื่นๆ จะชดเชยความต้านทานที่เพิ่มขึ้น ดังนั้นการไหลของอากาศจึงลดลงน้อยกว่าการเพิ่มขึ้นของความต้านทานมาก

ระดับก๊าซในเลือดแดง pCO2 เพิ่มขึ้น 3-7 มิลลิเมตรปรอท pO2 ลดลง 3-9 มิลลิเมตรปรอท และ SaO2 ลดลง 2% หรือน้อยกว่า การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้เกิดขึ้นแม้ว่าอัตราการเผาผลาญ จะลดลง ซึ่งสะท้อนให้เห็นจากการลดลงของการบริโภคออกซิเจน 10-20% บ่งชี้ว่าโดยรวมแล้วเป็นการหายใจน้อยลงแทนที่จะเป็นการลดลงของการผลิต/ การเผาผลาญ

ความดันหลอดเลือดแดงปอดจะแกว่งตัวเป็นระยะๆตามการหายใจความดันซิสโตลิกและไดแอสโตลิกของหลอดเลือดแดงปอด และเส้นผ่านศูนย์กลางของหลอดเลือดแดงปอดจะเพิ่มขึ้น 4-5 มม. ในช่วงหลับฝันแบบไม่ฝัน (NREM sleep)

การกระตุ้นให้ตื่นจากช่วงหลับฝันแบบไม่ฝัน (NREM) ชั่วคราวจะทำให้เกิดผลดังต่อไปนี้: กิจกรรม EMGของกล้ามเนื้อกะบังลมเพิ่มขึ้น 150%, กิจกรรมของกล้ามเนื้อขยายทางเดินหายใจส่วนบนเพิ่มขึ้น 250%, การไหลเวียนของอากาศและปริมาตรการหายใจเพิ่มขึ้น 160% และความต้านทานของทางเดินหายใจส่วนบนลดลง

ในระหว่าง การนอนหลับแบบ REM (Rapid Eye Movement) จะพบว่า การหายใจไม่สม่ำเสมอ มีการเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลันทั้งในด้านความกว้างและความถี่ บางครั้งถูกขัดจังหวะด้วยภาวะหยุดหายใจส่วนกลาง (central apnea ) ที่กินเวลา 10-30 วินาที(การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้เป็นการเปลี่ยนแปลงทางสรีรวิทยา และแตกต่างจากรูปแบบการหายใจที่ผิดปกติที่พบในภาวะหยุดหายใจขณะหลับ) ความผิดปกติของการหายใจเหล่านี้ไม่ได้เกิดขึ้นแบบสุ่ม แต่สอดคล้องกับการเคลื่อนไหวของดวงตา การหายใจแบบนี้ไม่ได้ถูกควบคุมโดยตัวรับสารเคมี (chemoreceptors ) แต่เกิดจากการกระตุ้นระบบควบคุมการหายใจ เชิงพฤติกรรม โดยกระบวนการนอนหลับแบบ REM การวัดปริมาณการไหลเวียนของอากาศในระยะการนอนหลับนี้มีความแปรปรวนค่อนข้างมาก และพบว่าอาจเพิ่มขึ้น ลดลง หรือไม่เปลี่ยนแปลง ปริมาตรการหายใจเข้าออก (tidal volume) ก็พบว่าอาจเพิ่มขึ้น ลดลง หรือไม่เปลี่ยนแปลงเช่นกันเมื่อวัดด้วยวิธีการเชิงปริมาณในระหว่างการนอนหลับแบบ REM ดังนั้นการหายใจในระหว่างการนอนหลับแบบ REM จึงค่อนข้างไม่สอดคล้องกัน

จากการศึกษาในผู้ใหญ่ที่มีสุขภาพดี 19 คน พบว่าปริมาณการหายใจต่อนาทีในระหว่างการนอนหลับ REM อยู่ที่ 6.46 +/- 0.29 ( SEM ) ลิตร/นาที เมื่อเทียบกับ 7.66 +/- 0.34 ลิตร/นาที เมื่อตื่น^{[ 1 ]}

กิจกรรมของกล้ามเนื้อระหว่างซี่โครงลดลงในระหว่างการนอนหลับแบบ REM และการมีส่วนร่วมของโครงกระดูกซี่โครงในการหายใจลดลงในระหว่างการนอนหลับแบบ REM นี่เป็นผลมาจากการยับยั้งการ ทำงานของเซลล์ประสาทสั่งการ อัลฟาจากส่วนบนของไขสันหลัง ที่เกี่ยวข้องกับ REM และการกดการทำงานของฟิวซิโมเตอร์โดยเฉพาะ ในขณะเดียวกัน กิจกรรมของกล้ามเนื้อกะบังลมจะเพิ่มขึ้นในระหว่างการนอนหลับแบบ REM แม้ว่าจะไม่พบการเคลื่อนไหวของทรวงอกและช่องท้องที่ผิดปกติ แต่การเคลื่อนที่ของทรวงอกและช่องท้องนั้นไม่ได้อยู่ในเฟสเดียวกันอย่างแม่นยำ การลดลงของกิจกรรมกล้ามเนื้อระหว่างซี่โครงนี้เป็นสาเหตุหลักของการหายใจน้อยลงที่เกิดขึ้นในผู้ป่วยที่มีการทำงานของปอดอยู่ในระดับปานกลาง

คาดว่าความต้านทานของทางเดินหายใจส่วนบนจะสูงที่สุดในช่วงหลับฝัน (REM sleep) เนื่องจากกล้ามเนื้อขยายหลอดลมส่วนคอหอยอ่อนแรงและทางเดินหายใจยุบตัวบางส่วน การศึกษาหลายชิ้นแสดงให้เห็นเช่นนี้ แต่ไม่ใช่ทั้งหมด บางการศึกษาแสดงให้เห็นว่าความต้านทานของทางเดินหายใจไม่เปลี่ยนแปลงในช่วงหลับฝัน ในขณะที่บางการศึกษาแสดงให้เห็นว่าเพิ่มขึ้นจนถึงระดับเดียวกับช่วงหลับไม่ฝัน (NREM sleep)

ภาวะขาดออกซิเจนในเลือดเนื่องจากการหายใจน้อยลงพบได้ในระหว่างการนอนหลับแบบ REM แต่การศึกษาเรื่องนี้ยังไม่ละเอียดเท่ากับการนอนหลับแบบ NREM การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้เท่ากับหรือมากกว่าการนอนหลับแบบ NREM

ความดันในหลอดเลือดแดงปอดจะผันผวนตามการหายใจและสูงขึ้นในระหว่างการนอนหลับแบบ REM

การตื่นตัวจะทำให้ความต้านทานของทางเดินหายใจและการไหลเวียนของอากาศกลับคืนสู่ค่าใกล้เคียงกับขณะตื่น โปรดอ้างอิงถึงการตื่นตัวในระหว่างการนอนหลับแบบ NREM