Bis heute gibt es unter den Neurophysiologen keine allgemein akzeptierte Hypothese zur neurobiologischen Funktion des Traums. Die medizinisch-naturwissenschaftliche Erforschung von Träumen begann 1953 mit der Entdeckung der REM-Phase im Schlaf. Es zeigte sich, dass im REM-Schlaf die meisten Träume auftreten. Neuere Studien bestätigen die Hypothese, dass im REM-Schlaf eine Verfestigung des Gedächtnisses stattfindet. Welche Rolle dabei die in der REM-Phase vorkommenden Träume spielen, konnte bisher allerdings nicht eindeutig geklärt werden.

Neurobiologische Modelle beschreiben seit den 1970er Jahren die Traumentstehung. Neuronen im oberen Hirnstamm produzieren zufällige Erregungsmuster, die Ausgang eines Traumerlebens sind. Die mit der Schlafstarre des REM-Schlafs konfrontierte Großhirnrinde bemüht sich nun, sinnfällige Interpretationen dieser Muster zu bilden. Das Ergebnis ist ein Traum, dessen Ursache demnach den niederen Gehirnfunktionen zuzuordnen und damit sinnlos ist.

Neuere Annahmen unterstellen, dass Träume durch höhere Gehirnfunktionen zustande kommen und dass kein direkter Zusammenhang zwischen REM-Schlaf und Träumen besteht. Die beteiligten Gehirnregionen liegen nicht in „primitiven“, sondern in „höheren“ Bereichen des Gehirns. Das erste genannte Traumareal befindet sich knapp über den Ohren, im Übergangsbereich zwischen dem Scheitel-, Schläfen- und Hinterhauptlappen des Gehirns. Es handelt sich um einen Bezirk, der mit Raumwahrnehmung und räumlichem Vorstellungsvermögen zu tun hat. Das zweite Traumareal des Gehirns betrifft den ventromesialen Bereich des Frontalhirns, direkt hinter den Augen. Hier verlaufen die Leitungsbahnen jener Nervenzellen, die offenbar unmittelbar mit dem Träumen zu tun haben. Das betreffende Areal wird als Such-, Erwartungs- oder Bedürfnissystem des Gehirns bezeichnet. Es steuert das Verhalten bei Hunger und Durst.