Bevor die Untersuchungen beginnen, erfolgt eine Befragung des Patienten durch den Arzt (Anamnese). Oft ergeben die Aussagen bereits Hinweise auf eine bestimmte Störung. Zur Eingewöhnung verbringt der Patient meist schon eine Nacht im Schlaflabor, ohne dass Untersuchungen erfolgen. In der nächsten Nacht schläft der Patient dann meist annähernd so gut wie im eigenen Bett.

Gewöhnlicherweise wird im Schlaflabor eine so genannte Polysomnographie durchgeführt. Dabei werden verschiedenste Funktionen des Körpers des Schlafenden aufgezeichnet. Dementsprechend werden unterschiedliche Sensoren angebracht, die meist mit Kabeln an dem entsprechenden Gerät angeschlossen sind. Abgenommen werden können unter anderem Gehirnströme (EEG), Herzfrequenz, EKG, Atmung, Atem- und eventuelle Schnarchgeräusche, Körperbewegungen, Sauerstoffgehalt des Blutes und weitere Parameter. Oft wird der Schlafende über eine Videokamera überwacht. Zum Toilettengang müssen die Kabel abgenommen werden, wobei das Personal dann behilflich ist. Nach einer oder mehreren Nächten werden die erfassten Daten von den Schlafmedizinern ausgewertet. Eine Diagnose und Therapieempfehlung wird gestellt.

Häufig werden auch am Tage Zusatzuntersuchungen vorgenommen. Dazu gehören z. B. ein Langzeit-Blutdruck und Langzeit-EKG sowie Untersuchungen der Wachheit und Reaktionen (Vigilanz). Beim Verdacht auf ursächliche Erkrankungen können auch in dieser Hinsicht gezielte Untersuchungen erfolgen.