Siklus tidur ini mempunyai kaitan-kaitan dengan hormon tubuh, seperti hormon pertumbuhan (growth hormon), prolaktin, dan kortisol. Hormon pertumbuhan disekresi pada awal periode tidur lelap, tahap 3 & 4 dan dihambat selama tidur REM. Hormon ini berfungsi merangsang pertumbuhan tulang panjang, tulang rawan dan jaringan lunak. Selain berperan juga mengatur metabolisme tubuh termasuk otak.

Penting diketahui bahwa sekresi hormon ini mencapai puncaknya pada usia 5 tahun pertama, saat terjadi pacu tumbuh otak (brain growth spurts). Kadar prolaktin mencapai puncaknya antara jam 05.00 dan 07.00 pagi. Sekresi kortikosteroid yang biasanya terjadi selama malam hari, dapat berubah sesuai dengan siklus tidur-bangunnya. Bila pola tidur berubah, sekresi kortisol pada awalnya seperti semula, tetapi secara bertahap melakukan penyesuaian atau resinkronisasi dengan siklus yang baru.

Fluktuasi hormon selama tidur bergantung pada 3 faktor utama, yaitu irama sirkadian, siklus tidur-bangun dan tahapan tidur nonREM dan REM. Penyebab dari variasi ini masih belum diketahui dengan jelas. Sekresi horman kortisol dan adrenokortikotropik (ACTH) mengikuti irama sirkadian, dengan puncaknya di pagi hari (6-8 jam tidur sampai 1 jam setelah bangun tidur) dengan titik terendah pada larut malam. Thyrotropin-stimulating hormon juga berhubungan dengan irama sirkadian dengan puncaknya pada larut malam dan awal dari siklus tidur.

Meskipun puncak kadar aldosteron terjadi selama periode tidur lelap, namun tidak barkaitan secara khusus dengan tahapan tidur nonREM atau REM. Renin, meningkat selama tidur, tetapi menurun secara relatif selama tidur REM. Hormon pertumbuhan, prolaktin, luteinizing hormon (LH), dan testosteron berhubungan dengan tidur dan tahapan tidur. Kadar prolaktin pada laki-laki dan perempuan mencapai puncaknya selama siklus nonREM, dengan titik terendah pada tidur REM. Jika waktu tidur berubah, maka kadar puncak prolaktin segera berubah pula, dan mengikuti dengan pola tidur baru. Siklus sirkadian LH sangat berhubungan dengan tingkat maturitas seks pada kedua jenis kelamin. Pada anak prepubertal dan pubertal, sekresi LH meningkat selama periode tidur, dan puncaknya terjadi pada periode tidur REM. Oleh karena itu makin tinggi presentase tidur nonREM, makin rendah kadar LH nya.

Melatonin atau hormon tidur, dapat membantu mengontrol ritme tubuh dan siklus tidur-bangun. fluktuasi hormon ini bergantung pada irama sirkadian (terang atau gelap). Adanya cahaya akan menghambat pelepasan melatonin dari kelenjar Pineal, oleh karena itu sekresi hormon ini lebih banyak pada malam hari daripada siang hari. Hormon ini disekresi secara teratur sebelum bayi umur 6 bulan .