Em indivíduos insones há uma diminuição da atividade do eixo hipotálamo-hipófise-adrenal (HPA), alteração que está associada à promoção de vigília.

Estudos com espectroscopia por ressonância magnética demonstraram um aumento dos níveis de GABA em indivíduos com insônia, quando comparados com indivíduos normais.

A adenosina, produto de metabolismo das células cerebrais que se acumula durante a vigília, age diretamente na VLPO (Área pré-óptica ventrolateral), predispondo ao sono.

Estudos com PET e RNM-funcional (ressonância nuclear magnética funcional) em insones têm demonstrado alterações regionais, com aumento do metabolismo, particularmente, envolvendo ínsula, amígdala e hipocampo.

Os indivíduos com insônia de duração maior que cinco anos apresentam níveis de melatonina maiores quando comparados com aqueles com evolução inferior a cinco anos.