В Древней Греции считалось, что сон является особым состоянием, промежуточной стадией между жизнью и смертью. В храмах, посвящённых Асклепию (богу-целителю), жрецы по сновидениям больных пытались определить ниспосланный богом способ лечения заболевания.

В средние века в Европе считалось, что возникновение сна связано с недостатком «жизненного духа», который расходуется при физических усилиях. Только во второй половине XIХ столетия сомнология начала обретать свои очертания как наука. Были проведены опыты Марии Манасеиной по депривации сна у щенков, показавшие необходимость этого состояния для жизни. Уже в 1864 году было синтезировано первое снотворное средство — барбитуровая кислота. Российский нобелевский лауреат Иван Петрович Павлов на рубеже веков описал условные рефлексы и попытался распространить теорию условного рефлекса на все явления высшей нервной деятельности, в том числе и сон.

В начале XX столетия важную роль в понимании механизмов сна сыграло изучение мозга людей, погибших от загадочной болезни — летаргического энцефалита Экономо. Были обнаружены центры в головном мозге, при разрушении которых развивалась форма болезни, сопровождающаяся сонливостью (то есть нарушалась мозговая активация) или, наоборот, нарушением сна (страдали центры сна). В экспериментах на животных, проводившихся Мишелем Жуве в середине XX века эти данные получили подтверждение.

Переломным моментом в изучении сна стало появление методики регистрации электрическую активность мозга (ЭЭГ) предложенной в 1929 году Гансом Бергером. Это позволило оценивать состояние центральной нервной системы в реальном времени, в том числе и во время сна. Благодаря этому открытию скоро стало ясно, что сон не является однородным состоянием, описаны его фазы и стадии.

На основании анализа ЭЭГ Горацио Мэгун и Джузеппе Моруцци в 1949 г. описали важнейшую структуру головного мозга, отвечающую за бодрствование — ретикулярную активирующую систему. А Натаниэль Клейтман и Юджин Азеринский в 1953 г. «внезапно» открыли совершенно особое состояние сна — фазу сна с быстрыми движениями глаз (быстрый сон).

Наиболее важными открытиями сомнологии последних лет явилось обнаружение в 1998 году важной орексиновой активирующей системы головного мозга. Ее разрушением вследствие аутоиммунного воспаления объясняют развитие «болезни сна» нарколепсии. А в 2013 г в головном мозге была описана отдельная система очищения, подобная лимфатической в теле. Она получила название глимфатической (глиальной лимфатической). Оказалось, что во время сна активность этой системы увеличивается на 160%, что подтверждает важность сна для эффективного очищения нервной системы.