Faza REM jest też określana snem paradoksalnym. Podobnie jak w przypadku fazy NREM, nazwa wychodzi się z języka angielskiego. Stanowi skrót od rapid eyes movement. Ta faza zajmuje ok. 25% czasu nocnego odpoczynku u młodych osób. Pojawia się cyklicznie, średnio co 90 minut. Jej czas trwania może wynosić od 5 do 30 minut (najczęściej trwa ok. 15 minut). Pierwsze stadium REM trwa ok. 15 minut i wydłuża się w trakcie trwania kolejnych cykli. Nad ranem długość fazy REM może dochodzić nawet do 40 minut.
Charakteryzują ją szybkie ruchy gałek ocznych (w różnych kierunkach) i wysoka aktywność mózgu. Podczas tej fazy snu serce pompuje więcej krwi, podnosi się ciśnienie krwi, oddech bywa szybszy, często nieregularny i płytki. Można odnotować epizodyczne skurcze mięśni, a także aktywację układu limbicznego, co wyjaśnia zaangażowanie emocjonalne podczas marzeń sennych. Faza REM jest fazą płytkiego snu. To oznacza, że łatwo można się z niej wybudzić.
To właśnie w tej fazie najczęściej pojawiają się marzenia senne. Mają one postać serii obrazów, którym mogą towarzyszyć wrażenie zmysłowe. Niejednokrotnie śpiący może mieć subiektywne odczucie, że marzenia senne występują w całym okresie spania, jednak paradoksalnie występują w najkrótsze jego fazie (REM). W czasie tej fazy mięśnie rozluźniają się, ciało odpoczywa.
Ta faza odgrywa znaczącą rolę w procesie uczenia się i prawidłowym funkcjonowaniu pamięci. Podczas jej trwania dochodzi do utrwalenia śladów pamięciowych i ich przeniesienia do pamięci długotrwałej. To wyjaśnia, dlaczego odpowiednia ilość snu jest niezbędnym elementem efektywnej nauki.
