Фаза быстрого сна, отличается хаотичным движением глазных яблок. У наблюдателя может возникнуть впечатление, что спящий пристально изучает некое явление или предмет. На самом же деле он «участвует» в событиях сна, то есть сновидениях. Однако самым поразительным открытием для науки стали результаты энцефалограммы и томограммы головного мозга, которые в комплексе назвали «парадоксальным сном». Дело в том, что показатели фазы быстрого сна те же самые, что и при бодрствовании. Человек при этом спит. Наблюдается резкий скачок кровяного давления, в действие приходят определенные группы мышц, активизируются разные участки мозга, увеличивается пульс, меняется температура тела, дыхание становится быстрым и прерывистым.
Эти факторы указывают на то, что человек «участвует» в сновидении как в реальном событии. Любопытно то, что сознание в этот период отключено, но проснувшийся может рассказать все, что ему снилось в подробностях, даже передать испытанные им чувства, к примеру, жалости, ужаса, любви, страсти и т. д. Также ученых заинтересовало изменение гормонального фона. Некоторые из них считают, что так организм эмоционально перезагружает себя и регулирует эндокринную систему. События, пережитые во время сна, направляются в область бессознательного, то есть забывается сюжет сна и испытанные ощущения. Кроме того, быстрый сон регулирует половые гормоны. Именно в этой фазе происходят сексуальное возбуждение и оргазмы, при этом сновидение может быть отнюдь не эротическим. Большая часть инфарктов и инсультов происходит в фазе быстрого сна, поскольку сердце и сосуды расслаблены и подвергаются резкой нагрузке. Большая часть стадии засыпания отводится медленному сну, быстрая фаза занимает примерно, среднестатистически 5—10 минут. Однако в 4—5 утра быстрый сон вытесняет медленный. В результате наступает пробуждение.