生显著变化，心率极度减慢，冬眠蝙蝠的心率由正常的每分钟330～920次降到每分钟30次,蜂鸟由每分钟480～1200次降到每分钟48次，黄鼠由每分钟 300次降到每分钟4～7次。同时血压亦极低，仓鼠和土拨鼠的血压从常温状态的 100毫米汞柱降到50毫米汞柱,刺猬从113毫米汞柱降到35毫米汞柱。此时外周血管广泛收缩，只有最重要的胸腔器官及脑部保持着低水平的血液循环。这样就最大限度地节约能量，而保证生命活动的继续。当环境温度回升到一定高度时，深眠动物便迅速激醒，体温回升以及各系统功能恢复到正常状态（出眠）。
刺猬的出眠温度约为6～9℃(2～15℃),达乌尔黄鼠约为10℃。除这种自发性激醒外，其他外因，如电、机械、寒冷或加温、化学刺激以及注射药物或激素都可以使冬眠动物激醒。激醒初期，呼吸由节律性转变为间歇性。
经过几次阵发性呼吸之后，又变成节律性呼吸，而且频率越来越快，如刺猬可达每分钟60次，待苏醒后又趋向平静，变成每分钟36～40次。心率也一样逐渐加快到超过正常水平,然后又恢复平静,这种呼吸和心率的亢进与激醒开始时的战栗产热有关。与此同时，身体前部的血管舒张,加强心、肺和脑的血液循环,待身体前部复温后，身体后部血管才开始舒张并迅速复温。由于这样的主动复温，使得整个过程只需15～25小时便可使体温上升30多度而完全苏醒。
在冬眠过程中，动物是处于活动(常温)与麻痹（低温）交替的冬眠阵状态。活动时期约为8小时至2天。有些种类动物在此期间进行排泄或进食。大多数种类动物不进食，但进行某些生理平衡的调整。
冬眠动物在长达 100多天的冬眠季节内不吃不喝而仍维持生命，是由于有充足的能量储备，而代谢又降到最低水平，为活动时的1～2%。其呼吸商接近07,主要靠氧化脂肪来供给能量和水分。冬眠型动物在肥育期内便储存了相当于体重30～50%的脂肪，大多数集中于皮下，不仅供给能量还有保温作用。冬眠型动物的褐脂较非冬眠型多，而经过冬眠后又减少最多。曾被人认为是与冬眠有关的内分泌腺，有冬眠腺之称。现知与冬眠动物的激醒有密切关系。
冬眠的诱发因素是些外在因素，如环境温度的下降和秋季食物短缺。但一些专家认为，逐渐缩短的白昼是一种冬眠信号，它会导致一些内在因素的改变，如激素水平的变化和季节性变化的生物钟的调节。
生物钟看来会影响动物的行为，如脂肪贮存和为冬眠作准备。还有正待研究的关于冬眠地点高浓度二氧化碳的麻醉作用，可能也是冬眠的诱发因素。环境温度的升高和代谢产物的积聚可能都是觉醒信号。冬眠动物在觉醒时慢慢升高自己的体温。荷尔蒙会导致褐色脂肪组织的分解，为体温初步升高提供能量。当体温到达15摄氏度时，肌肉会开始颤抖，进一步暖和身体。
在有着重要器官的胸部和头部温度会比起其它身体部位更快的恢复。冬眠的长短随动物而异。欧洲刺猬3到4个月。冬眠鼠可睡上6到7个月。但不能简单认为，冬眠是一个长达数月不间断的过程，相反，更常见的冬眠是间歇性的，长的休止状态，低的新陈代谢中插有短暂的觉醒状态。、
但动物不能经常回复到醒的状态，因为每次醒来都是要耗能的，醒的次数太多会导致脂肪贮存过早耗尽，以致在来年春天的真正觉醒时无“脂”可用。
动物的冬眠受自然条件影响最大。外界刺激越多，内部本能的适应能力越强。首先，外界温度对动物冬眠有重要影响。当周围环境温度在5℃一10℃时，最宜引起冬眠。其次，食物的缺乏是促成冬眠的因素。对于鸟类，一般只要限制食物或者是让它饥饿，它就会立即进入昏睡状态。再次，光也是引起冬眠的重要外界条件。如果光线时间减少或昏暗时，动物便很快开始冬眠。
由以上所述的呼吸、循环和体温的调节活动，可知中枢保持着积极活动。用放射自显影方法研究金背黄鼠的中枢活动，发现在入眠、深眠及激醒等不同的阶段,其中枢活动的核团都不一样,说明冬眠的各阶段是由不同的中枢调控的。尚未发现调控冬眠的特定中枢核团。脑电图的研究指出，冬眠时可能只有10%的神经元处于活动状态，冬眠和睡眠的脑电图颇为相似，因此可以认为冬眠可能属于慢波睡眠的体温调节扩展。控制体温调节的视前区-下丘脑前部(PO/AH)在冬眠过程中也起着调控作用。
升高冬眠型动物 PO/AH区的温度，可引起代谢产热减少而直肠温度下降；反之，降低此区的温度则增加产热引起直肠温度上升。这种反应与非冬眠型动物是一致的。而在深冬眠的动物则无此反应，若将PO/AH的温度降到1℃以下，这个反应又恢复，并引起激醒。而当动物正在激醒,体温上升时加温PO/AH，动物又会回到深眠中去。这表明冬眠动物的体温下降，并非体温调控失败，而是主动地扩大适应能力。
冬眠动物对外界临界温度变化的监测，由警戒温度感