心血管系统也会随着睡眠的不同阶段而发生变化。在非快速眼动期(NREM)心血管活动会有不同程度的下降,这种强度的改变取决于物种的类别和之前安静觉醒时的水平。主要变化的指标是血压、心率和每搏输出量,对于人类在非快速眼动期时心率减慢可达10%;睡眠时收缩压会进行性下降,睡眠2小时后,血压下降最大程度可达到30%左右。在接下来的快速眼动期(REM)动脉血压、心率都会显著上升,这也正是REM期的重要特征,而与快速眼球运动、肌肉阵发性抽动或者呼吸节律不齐等现象无关,说明并不是自主神经调节引起的直接结果,而是中枢调节机制及外周多条反射通路相互作用的结果。