Polysomnografie registreert meestal verstoringen in de slaapcontinuïteit (bijvoorbeeld een toegenomen slaaplatentietijd, langer wakker liggen na de aanvang van de slaap, en een verminderde slaapefficiëntie (het percentage van de tijd in bed die slapend wordt doorgebracht)), en kan een toename registreren van de hoeveelheid van de N1-slaap en een afname van de langzame-golvenslaap (N3-slaap). Omdat mensen met insomnia vaak de duur van hun slaap onderschatten en de tijd die zij wakker liggen overschatten vergeleken met de registraties van de polysomnografie, komt de ernst van deze slaapklachten niet altijd overeen met de klacht waarmee de patiënt zich aanmeldt of met de subjectieve klacht van slecht slapen. Uit kwantitatieve analyses van elektro-encefalografie kan worden afgeleid dat mensen met insomnia in verhouding tot goede slapers een meer hoogfrequente eeg-activiteit hebben, zowel rond de aanvangsperiode van de slaap als tijdens de non-remslaap; de bevindingen kunnen echter afhangen van de leeftijd en het gender. Dit kenmerk komt overeen met een verhoogde corticale arousal. Uit beeldvormend onderzoek blijkt een verandering in de regionale hersenfunctie, die overeenkomt met hyperarousal bij insomnia; de interpretatie van deze bevindingen is echter ingewikkeld. Mensen met een insomniastoornis kunnen minder slaapdruk hebben, en vertonen in vergelijking met mensen zonder een slaapstoornis bij objectieve metingen in het slaaplaboratorium gewoonlijk geen verhoogde slaperigheid overdag.
Andere laboratoriummetingen vertonen aanwijzingen, maar niet altijd, van verhoogde arousal en een gegeneraliseerde activering van de hypothalamus-hypofysebijnier-as (bijvoorbeeld verhoogde cortisolconcentraties, meer variatie in de hartslag, verhoogde reactiviteit op stress, verhoogde metabolische snelheid). In het algemeen komen de bevindingen overeen met de hypothese dat een verhoogde fysiologische en cognitieve arousal een belangrijke rol speelt bij de insomniastoornis.
