Las fases profundas, también llamadas sueño de ondas lentas (etapa N3), se caracterizan por ondas delta de alta amplitud en el electroencefalograma. Durante esta fase se libera hormona de crecimiento, se reparan tejidos y se consolida la memoria a largo plazo. La falta de sueño profundo se asocia con sensación de fatiga y disminución del rendimiento cognitivo.