خواب عمیق در مرحله 3 خواب ( یا مرحله 3 و  4 خواب در دسته بندی که خواب را 4 مرحله ای در نظر می گیرد) است. روی نوار مغزی الگوی اختلاف ولتاژ در طی زمان امواج دلتا را نشان می دهد که به آن امواج کند خواب نیز می گویند که با امواج سریع خواب در مرحله 2 متفاوت است.

چون بیدار شدن از این مرحله خواب دشوارتر از سایر مراحل است، به آن خواب سنگین یا عمیق می گویند. اگر ناگهان از این خواب بپریم دچار اینرسی خواب (لختی خواب) می شویم یعنی یک حالت گیجی و منگی به ما دست می دهد و حتی ممکن است یادمان نیاید که الان کجا هستیم و چه موقع از شبانه روز است.

در خواب سنگین به محرک های بیرونی خیلی کمتر از خواب سبک پاسخ می دهیم و حرکت بدن بسیار کمتر از خواب سبک است اما نسبت به خواب رِم حرکت بیشتر است. بعضی افراد که خیلی در خواب تکان می خورند و بی قرار هستند، ملحفه و پتو در خواب دورشان گره می خورد و زیرشان جمع می شوند در خواب سبک دچار این مشکل می شوند.

ترمیم بافت های بدن در خواب عمیق سرعت می گیرد. خواب عمیق برای کودکان درحال رشد زمان بسیار مهمی برای رشد جسمی است. در اولین قسمت از خواب عمیق شب در بدن انسان هورمون رشد آزاد می شود و خواب عمیق باعث جوان شدن در خواب می شود.

اختلالات خواب شایع در کودکان مانند شب ادراری، هراس شبانه و راه رفتن در خواب معمولا در خواب عمیق سراغشان می آید.

جالب است که ما انسان ها بیش از همه عاشق مرحله خواب عمیق هستیم. اگر شب بیدار بمانید و فردای آن شب به کارهای روزانه عادی خود ادامه دهید بی شک کمبود خواب پیدا می کنید. اما اگر بتوانید شب بعد هر چقدر دوست دارید بخوابید تا سر حال شوید احتمالا دو برابر زمانی که همیشه می خوابیدید نخواهید خوابید. بلکه چیزی حدود یک سوم یا نصف زمان خواب به آن اضافه می شود.

مثلا کسی که معمولا شبی 7 ساعت می خوابیده بعد از یک شب بیداری حدود 10 ساعت می خوابد تا به حالت عادی بازگردد. نکته جالب اینجاست که در این خواب جبرانی زمان بین مراحل مختلف خواب توزیع می شود تا کل خواب عمیق از دست رفته جبران شود. میزان خواب عمیق در این خواب جبرانی دو برابر حالت عادی و طول خواب سبک و خواب رِم کمتر خواهد بود. به نظر می رسد که بدن انتخاب می کند که بیشتر خواب موج کند را جبران کند و بقیه مراحل خواب را فدا می کند.

آزمایش جالبی نشان داد که تمایل به خواب سنگین تا چه حد در ناخودآگاه ما زیاد است. دانشمندان با رصد کردن معماری خواب افرادی که از بی خوابی رنج می بردند در مدت زمان طولانی به این علاقه به خواب عمیق پی بردند. آنها نتایج نوار مغزی را در اختیار بیمار قرار ندادند، فقط به این افراد اجازه دادند هر گاه احتیاج داشتند قرص خواب آور بنزودیازپین بخورند. بعد از چند شب که این افراد خواب عمیق کمتری داشتند، ترجیح دادند که قرص خواب آور مصرف کنند. طول مرحله 3 خواب (بخشی که خواب عمیق در آن قرار دارد) مهمترین عامل در پیش بینی مصرف قرص بود. این نشان می دهد که مردم چقدر دوست دارند خواب عمیق را تجربه کنند.