強いストレスを感じると、脳の下垂体から副腎皮質刺激ホルモン（ストレスホルモン）が分泌され、交感神経を刺激します。その結果、意識水準が高まり、眠れなくなることがあります。このとき、睡眠不足などにより脳が疲れていると、ストレスをより感じやすくなるため、一層眠れなくなることがあります。また、たとえ眠りに就けてもノンレム睡眠（深い睡眠）が阻害されやすく、眠りの質が低下しやすいこともわかっています。
その逆に、「嫌なことがあっても一晩眠れば忘れる｣といわれことがあるように、しっかりと睡眠がとれれば、ストレスを早く解消することができます。というのも、ノンレム睡眠時は、不必要な記憶を消去する働きがあるためです。
つまり、ストレスと睡眠は常に拮抗する関係にあり、ストレスが強いと眠れなくなり、脳の疲れもとれず、ストレスへの抵抗力も免疫機能も低下（ストレスは免疫機能を低下させる大きな要因）してしまう。逆に、ストレスがあっても深い睡眠がとれれば、ストレスは速やかに解消され、睡眠状態も免疫機能も良くなるといえます。その根拠として、睡眠中に分泌されるデルタ睡眠誘発ペプチドという物質にはストレスホルモンの分泌を抑制し、成長ホルモンの分泌を促す働きがあり、眠りによってストレスホルモンが分解されると、それ自身が睡眠物質へと変わり、より眠りが促進されます。