Čtvrtá fáze spánku, REM spánek, je charakteristická výrazným zvýšením mozkové aktivity, která se v některých ohledech podobá stavu bdělosti. Současně dochází k atonii, tedy dočasnému útlumu většiny kosterních svalů. Aktivní zůstávají především svaly zajišťující dýchání a pohyb očí. Právě rychlé oční pohyby pod zavřenými víčky daly této fázi název REM, z anglického rapid eye movement.
REM spánek je považován za důležitý pro kognitivní funkce, zejména pro učení, konsolidaci paměti a kreativní zpracování informací. Typické jsou pro něj také nejživější sny, což souvisí s intenzivnější aktivitou mozku. Snové prožitky se sice mohou objevit i v jiných fázích spánku, ale v NREM spánku bývají obvykle méně výrazné.
Do REM fáze člověk za normálních okolností vstupuje přibližně po 90 minutách od usnutí. V průběhu noci se REM epizody prodlužují, a to zejména ve druhé polovině spánku. Zatímco první REM fáze může být velmi krátká, pozdější mohou trvat až kolem jedné hodiny. U dospělého člověka tvoří REM spánek asi 25 % celkové doby spánku.