בזמן שינה עמוקה מופיע שלב החלום.
שלב זה הינו שלב חשוב בתפקוד הגוף המוח, ותפקידו ככל הנראה הוא בעיבוד וארגון מידע שנקלט על ידי המוח במהלך היום.
מכיוון שתינוקות מתפתחים בקצב מואץ, ויכולות הלמידה והזכרון שלהם עצומות, ומכיוון שתינוקות ישנם כ 70% מהזמן וחולמים במשך חצי מהזמן, הסיקו שלחלימה יש חשיבות בהתפתחות הזכרון והמוח.
בשלב החלום יש תפקוד כמעט מלא של הגוף – למעט תזוזה. גלי המוח מתפקדים כמו בזמן ערנות, הדופק והנשימה מואצים ואינם מואטים, העיניים עוקבות אחרי "התמונה" והחולם מרגיש שהוא נמצא במצב עירנות ובמציאות אמיתית.
מבחינה פסיכולוגית טוענים שהחלום מהווה ערוץ לשחרור אנרגיות, דחפים ומסרים מודחקים או אסורים.
מבחינה רוחנית יש לחלום משמעויות רבות, ניתן לנתח את החלום, את העלילה ואת החפצים והדמויות שבו ולהגיע למסקנות מפליגות לגבי העבר, ההוה והעתיד. כבר בתנך מוזכרים מספר מקרים של חלומות בעלי משמעות חברתית וציבורית.
אנשים רבים מאמינים שלחלומות יש משמעויות מיסטיות ונבואיות שונות. המדע אינו יכול להסביר את פשרם של החלומות אלא יכול לתת הסברים חלקיים לקיומם. גם המדע וגם המיסטיקה צרי אופקים אחד כלפי השני ולכן אין כיום הסבר חד משמעי לטיבם של חלומות.