睡眠的时间是由我们体内的生物钟控制的。睡眠和清醒在某一时段内处于动态的平衡中。生物钟是由相关的酶控制的内在定时装置，这些酶与体内一种神经递质——腺苷协同作用，后者会抑制体内许多与清醒相关的生理过程，引起睡眠。体核温度（身体深部的温度）、体内褪黑素的水平以及血浆皮质醇的浓度是生物节律性的三个重要指标。概括来讲，降低体内温度有助于入睡，强光会抑制褪黑素分泌而影响入睡，早上的日光对生物钟有调整作用。
在昼行性动物如人类中，当生物节律的要素引起下丘脑垂体松果腺中褪黑素的释放以及体核温度逐渐降低时，身体会进入睡眠状态。睡眠的终止即睡醒状态，主要也是受内在的生物钟调节。哺乳动物最主要的“生物钟”位于被称为下丘脑视交叉上核的大脑区域，是一对位于下丘脑的细胞群。视交叉上核遭到损害会破坏睡眠和觉醒周期。视交叉上核通过眼睛接收关于光强度的信息。
眼睛的视网膜除了主司视觉功能的视锥细胞和视杆细胞外，还有专司光敏感度的神经节细胞，后者直接将信息投射到视交叉上核以辅助生物钟发挥功能。视交叉上核接收并整合来自视网膜关于白天和夜晚时间长短的信息，传递到位于丘脑上部的松果体，松果体针对收到的信息进行反应，分泌出对相对应水平的褪黑素，从而调节我们的睡眠和觉醒。
从分子水平上看，生物钟是由一系列基因控制的负反馈环路。已经有研究表明松果体褪黑素的分泌会反馈到视上核，从而调节睡眠活动以及其他生理活动的节律性。光照能够重新设定体内的生物钟，根据光照发生的时间不同，它可以提前或延后现有生物钟所控制的生理活动的节律，比如睡眠与觉醒的模式。
每个人的睡眠模式存在差异，研究发现，我们睡眠时间的长短受一个叫做DEC2基因的影响，该基因发生突变的人，睡眠时间比一般人要少约两个小时。