有些科学家为了弄清睡眠的原因，观察了自然界动物的睡眠方式，但不观察还好，一观察发现更复杂了。因为虽然睡眠在动物中也很常见，但它们睡觉的方式各有千秋。蝙蝠把一天内的20个小时都用来睡觉；而马似乎采用了所谓的“达·芬奇睡眠法”，一天内打几个盹就够了，加起来才3个小时；甚至连爬行动物、鱼类、果蝇和线虫也有对外界刺激反应降低的安静休息阶段，尽管科学界对于是否要将之定义为“睡眠”还颇为踟蹰。

睡眠是动物适应环境的重要结果，同时受到进化的影响。动物睡眠方式的多样性主要体现在两个方面：昼夜的活动程度和睡眠的时长。比如猫头鹰是昼伏夜出，而百灵鸟则是清晨很早就出来活动。通常来说在食物链低端的草食性动物，睡眠更短，而在食物链顶端的大型食肉动物，如老虎、狮子等，睡眠时间比较长。草食性动物睡眠时间短、睡眠周期转化快有利于更长时间的食物摄取，逃避被肉食动物捕获的危险。而大型食肉动物可以通过睡眠来减少对热量的消耗，实现机体的有效恢复。

动物睡眠另一个有意思的现象是半球脑睡眠现象。一些生活在水中的哺乳动物以及鸟类，如海豚、军舰鸟等，可以一半大脑睡眠而另一半大脑保持清醒。它们可以通过大脑两个半球交替睡觉，满足长途迁徙和避免被捕食的需求。