En sommeil paradoxal, le cerveau du dormeur présente une activité neuronale aussi intense que le cerveau à l’éveil. Les muscles sont complètement relâchés, la respiration est irrégulière, les yeux sont animés de secousses rapides visibles sous les paupières. De petites secousses musculaires sont visibles sur le visage au niveau de la commissure des lèvres ou des sourcils. Les doigts présentent de petits tressautements. Quelque soit l’âge du dormeur il existe une érection des corps érectiles de la verge ou du clitoris.

Chez le nouveau-né qui dort le visage est très expressif. On peut y voir des expressions de satisfaction, de plaisir (sourire aux anges), de colère ou d’étonnement. Le Dr Marie-Jo Challamel a analysé  1469 mimiques faciales  chez un seul nouveau-né normal. Elle y retrouve au cours du sommeil agité les six mimiques émotionnelles dites universelles: joie, tristesse, peur, dégoût, surprise et colère. D’après elle le nouveau-né, répéterait "à blanc" au cours du sommeil paradoxal les séquences motrices de ces comportements instinctifs. Ce serait en quelque sorte une « répétition » servant à la mise en place des outils de la future communication humaine. Ces mimiques disparaîtront d'ailleurs du sommeil lorsque le petit nourrisson sera capable de les utiliser à l'éveil.