حین رویا دیدن تمام مغز انسان، از ساقه مغز گرفته تا قشر مخ فعال است. بیشتر خواب دیدن ما در مرحله REM (حرکات سریع چشمی) اتفاق می افتد. این مرحله بخشی از چرخه خواب است که توسط دستگاه فعال ساز شبکیه ای بدن (RAS) کنترل می شود؛ دستگاهی که مدار آن از ساقه مغز تا تالاموس و قشر مغز کشیده شده است. در هر دو حالت خواب و بیداری، مسئولیت کنترل احساسات بر عهده دستگاه حاشیه ای مغز میانی است که بادامه مغز را شامل می شود؛ بخشی که بیشتر مرتبط با ترس شناخته می شود و در حین رویا دیدن شدیدا فعال است. قشر مغز مسئولیت محتوای رویا را بر عهده دارد؛ یعنی هیولاهایی که در خواب از دست آنها فرار می کنیم، افرادی که در خواب می بینیم یا تجربیات پروازی که در خواب با آنها مواجه می شویم، همگی از قشر مغز سرچشمه می گیرند. از آنجایی که ما انسانها، گونه ای به شدت وابسته به حس بینایی هستیم، بخش عقبی مغز که این حس را کنترل می کند نیز در حین خواب به شدت فعال است.
کم فعالیت ترین قسمت مغز در جین رویا دیدن، بخش هایی از لوب پیشانی است؛ که می تواند توضیح دهد چرا ما تا این اندازه جین خواب دیدن غیرعادی هستیم و اتفاقات احمقانه و باور نکردنی را که در طول رویا با آنها مواجه می شویم، همانند واقعیت به راحتی قبول می کنیم، البته فقط تا زمانی که از خواب بیدار شویم.