我们对做梦的分子基础有部分的了解。当神经细胞内特定的化学传导物质，例如胺类分子，去甲肾上腺素（norepinephrine）和5-羟色胺（serotonin），浓度下降时，大脑就开始想睡觉。同时，另一种传导物质乙酰胆碱（acetylcholine）数量则会增加。这两种神经传导物质会同时冲击对它们特别敏感的神经细胞，并且相互处于平衡状态。胺类分子使大脑醒来，促发它控制感觉系统和随意肌；乙酰胆碱则将这些器官关闭。当乙酰胆碱的浓度上升时，大脑有意识的活动量就下降，身体其他的功能也会下降，除了循环、呼吸、消化作用，还有值得特别注意的眼球运动。在睡眠中，身体的随意肌会瘫痪下来，温度调节的功能也相对降低（所以身体冷的时候睡着会有危险）。
正常的夜间睡眠周期，刚开始时深而无梦，然后每隔一段时间睡眠就变浅，浅睡眠的总时数大约占整个睡眠的百分之二十五。在浅睡眠时期，人容易醒，而且眼球会在眼眶里飘忽不定地转动，这种情形称为快速眼动（rapid eye movement，REM）。这时，有意识的大脑受到骚扰，开始做梦，但是继续与外界刺激保持隔离。做梦是因为乙酰胆碱神经细胞狂乱地活化而引发我们所谓的PGO波。乙酰胆碱会在神经细胞相接处的细胞膜，引发电效应；电效应会由脑干顶端球茎状的神经中心脑桥（pons，PGO的P），向上传递到大脑主体中心的下方，再由此进入丘脑（thalamus，或称视丘）的膝状体（geniculate body，PGO的G），亦即视觉神经路径的主要开关所在。随后，PGO波继续前进，通向大脑后端的枕叶皮质区（occipital cortex，PGO的O），也就是整合视觉信息的部位。
大脑清醒时，脑桥也是控制动作的主要中心，所以当它经由PGO系统传递信息时，便同时错误地报告给皮质，身体正在移动；然而，身体其实是不动的，它实际上是瘫痪的。于是，具有视觉作用的大脑接着就开始产生幻觉。当大脑接收到脑桥送来的PGO波时，会从记忆库中抽出储存的图像和故事，并加以组合。做梦不受外在世界资讯的限制，又缺乏真正时空中的架构和连续性，所以大脑快速产生的图像常常是变幻不定的，而且是关于一些不可能发生的事件。我们会在空中飞翔，在深海里游泳，在遥远的外星球上行走，或者和死了很久的父母谈话。进进出出的，有人、野兽和无名的幽灵。其中有一些还反映出我们由PGO波中引发的情绪，一个梦接一个梦，我们的心情由平静变为恐惧、生气、淫乱、感伤、幽默、冲动，但是大多时候只是焦虑。做梦的大脑组合事物的能力似乎是无止境的。而且，无论我们见到什么，都会深信不疑，至少在睡眠中是如此。对于我们在不自觉中猛然陷入的极其荒谬的事件，我们也很少质疑。有人曾经如此定义“疯狂”：无法在错误的选项中做抉择。我们在梦中是疯狂的，像狂人般在漫长无尽的梦境里遨游。
外界强烈的刺激可能突破睡眠中的感官障碍。这些刺激如果没弄醒我们，就会成为梦中的故事情节。比如，约1.6公里外发生闪电，雷声传入了我们的卧房。我们可能产生无数种反应，比如，我们可能梦到银行抢劫，一支枪开火，我们被击中。不，是另一个人被击中倒地，不，又错了——我们知道受到枪击的是我们自己，只是被别人的身体取代了。很奇怪，我们感觉不到疼痛。接着，情景又改变了，我们正穿过一条长廊，迷失了，焦急地想要回家。枪声又一次响起，这回我们醒了过来，紧张僵硬地躺在真实世界中，聆听真正的雷声从外面逐渐接近的风暴中传来。
在梦中，我们很少感受到身体上的不适，比如疼痛、晕眩、口渴或饥饿；少数人会发生呼吸暂停（apnea）——在睡眠中暂时停止呼吸。这种现象可能以窒息或淹死的图像出现在梦中。梦里也没有味觉或嗅觉，因为在昏睡的大脑中，这些感官的通道在乙酰胆碱的冲击下都关闭了。除非我们能在做梦后不久就醒来，要不然不会记得任何细节。百分之九十五到百分之九十九的梦会被完全遗忘；少数人甚至错以为自己根本不做梦。这种令人震惊的健忘症，显然是因为胺类神经传导物质的低浓度造成的；因为短期记忆转变成长期记忆时，需要这些分子的存在。
