Le sommeil paradoxal est la phase du sommeil caractérisée par des mouvements oculaires rapides, des rêves vifs, une quasi-absence de tonus musculaire et une activité cérébrale semblable à celle de l'éveil. Il représente environ un cinquième d'une nuit de sommeil normale chez les adultes en bonne santé.

Les phases de sommeil paradoxal se répètent plusieurs fois au cours de la nuit et s'allongent à l'approche du matin. Les yeux bougent sous les paupières closes ; le rythme cardiaque et la respiration deviennent irréguliers ; le corps est comme paralysé, empêchant la réalisation des rêves. La plupart des rêves narratifs sont rapportés lors des réveils pendant cette phase. Le sommeil paradoxal semble favoriser la consolidation de la mémoire, le traitement des émotions et certains aspects du développement cérébral.

La privation de sommeil paradoxal entraîne un rebond, la proportion de sommeil paradoxal augmentant les nuits suivantes. Certains antidépresseurs suppriment le sommeil paradoxal. Des troubles comme le trouble du comportement en sommeil paradoxal permettent la mise en acte physique des rêves, la paralysie normale étant défaillante. Cette phase demeure l'une des caractéristiques les plus distinctives et les plus étudiées du sommeil chez les mammifères.

Lorsque les yeux bougent rapidement et que l'esprit se remplit de rêves tandis que le corps reste immobile, le dormeur est en phase de sommeil paradoxal (REM).