Τόσο στα ζώα συντροφιάς όσο και στους ανθρώπους, το όνειρο είναι το τελευταίο στάδιο μιας σειράς κύκλων ύπνου που χαρακτηρίζεται από αυξημένη δραστηριότητα του ιππόκαμπου στον εγκέφαλο και γρήγορη κίνηση των ματιών. Έχει συσχετιστεί με τη μάθηση, τη μνήμη και στους πολύ νέους, την ανάπτυξη συνδέσεων των νεύρων.

Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι όλα τα θηλαστικά ονειρεύονται, αν και τα κητώδη (φάλαινες, φώκαινες και δελφίνια) κάπως διαφορετικά. Τα πουλιά επίσης ονειρεύονται. Ακόμη και τα ερπετά έχουν αποδειχθεί ότι ονειρεύονται.

Οι περισσότερες έρευνες δείχνουν ότι οι σκύλοι και οι γάτες ονειρεύονται τι τους συνέβη (κατά τη διάρκεια της ημέρας) προκειμένου να θυμούνται και να μαθαίνουν.

Σε μια μελέτη του MIT, οι αρουραίοι εκπαιδεύτηκαν να τρέχουν σε έναν λαβύρινθο ενώ καταγράφηκε η εγκεφαλική τους δραστηριότητα. Οι καταγραφές επαναλήφθηκαν όταν οι αρουραίοι κοιμόντουσαν. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι καταγεγραμμένες εγκεφαλικές δραστηριότητες ταίριαζαν πολύ με τις καταγραφές που είχαν γίνει όταν οι αρουραίοι ήταν ξύπνιοι. Στην πραγματικότητα, οι καταγραφές ήταν τόσο παρόμοιες, που οι ερευνητές γνώριζαν ποιο μέρος του λαβύρινθου ονειρεύονταν οι αρουραίοι και αν ονειρευόντουσαν ότι έτρεχαν ή ξεκουράζονταν.

Τα πιο εξελιγμένα πλάσματα ονειρεύονται λιγότερο συχνά, αλλά περισσότερο από τα λιγότερο εξελιγμένα όντα. Για παράδειγμα, οι άνθρωποι ονειρεύονται 4 έως 5 φορές τη νύχτα με κάθε κύκλο ονείρων να διαρκεί έως και μία ώρα. Αντίθετα, τα ερπετά εμφανίζουν εγκεφαλική δραστηριότητα ενδεικτική ότι ονειρεύονται έως και 350 φορές κατά τη διάρκεια μιας περιόδου ύπνου. Τα μεγάλα σκυλιά ονειρεύονται περισσότερο, αλλά λιγότερο συχνά από τα μικρά σκυλιά.

Τα νεαρά κουτάβια και τα γατάκια φαίνεται να ονειρεύονται περισσότερο από τους ενήλικες, πιθανώς επειδή το όνειρο σε νεαρά ζώα βοηθά στην ανάπτυξη οδών των νεύρων. Τα ζώα και οι άνθρωποι που στερούνται ποιοτικού ύπνου REM αντιμετωπίζουν μια σειρά από σωματικές και ψυχολογικές διαταραχές, όπως ευερεθιστότητα, γνωστική δυσλειτουργία, υπερκατανάλωση τροφής και αύξηση βάρους.