Um Schlafstörungen eindeutig diagnostizieren zu können, werden in bestimmten Fällen Untersuchungen im Schlaflabor angeordnet. Dort können die Patienten nicht nur hinsichtlich der Schlafdauer und Schlaftiefe untersucht werden, sondern auch Probleme mit der Atmung können eindeutig festgestellt werden. Typische Untersuchungen im Schlaflabor zeigen ebenfalls Bewegungen in den Beinen, nehmen Messungen, wie ein EKG oder ein EMG vor und ähnliches. Hierfür werden zahlreiche kleine Elektroden an verschiedenen Körperstellen des Patienten angebracht. Diese behindern den Schlaf aber keinesfalls, da sie bereits nach wenigen Minuten nicht mehr vom Körper bemerkt werden. Sie werden außerdem so angebracht, dass man sich problemlos im Schlaf bewegen kann.
Typische Probleme, die bei einer Untersuchung im Schlaflabor auftreten können, sind darin zu finden, dass die Patienten oft noch schlechter oder gar besser schlafen können als zu Hause. Etwa ein Viertel der Patienten schläft in der ersten Nacht im Schlaflabor besser, als zu Hause. Da sie wissen, dass hier die Schlafstörungen untersucht werden, besteht kein Druck, einschlafen zu müssen. Dadurch wiederum stellt sich der Schlaf leichter ein.
In einem Drittel der Fälle schlafen die Patienten in der ersten Nacht hingegen schlechter, als zu Hause. Als Grund wird häufig angegeben, dass man sich beobachtet fühlt. Aber auch die ungewohnte Umgebung kann hierfür verantwortlich sein. Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass sich beide Probleme bereits in der zweiten Nacht geben. Selbst wenn kein typischer Schlaf, wie zu Hause erreicht wird, zeigen sich die Probleme doch trotzdem.
Die Untersuchungen im Schlaflabor werden deshalb für mindestens zwei Nächte durchgeführt. Bei besonderen Schlafstörungen, wie einer Apnoe, werden dagegen drei bis vier Nächte angeordnet. Während die ersten beiden Nächte der Diagnose dienen, werden in der dritten bis vierten Nacht bereits Behandlungen durchgeführt, deren Erfolg gemessen werden soll.