冬眠时，动物的神经已经进入麻痹状态。有人曾用蜜蜂进行试验，当气温在7～9c时，蜜蜂翅和足就停止了活动，但轻轻触动它时，它的翅和足还能微微抖动；当气温下降到4～6c时，再触动它却没有丝毫反应，显然它已进入了深沉的麻痹状态；当气温下降到0.5c时，它则进入更深沉的睡眠状态。由此可见，冬眠时神经的麻痹深度是与温度有密切关系。
另外，冬眠时，动物体温显著下降。据研究，黄鼠在130个昼夜的冬眠时间中，共放出70卡热量，但冬眠过后的13.7个昼夜中，就能放出579卡热量。一般来说，动物在冬眠过程中，每昼夜只能放出0.5卡热量，但在它苏醒后，兴奋的时候，每昼夜则能放出42卡热量。由此可见，冬眠动物体温下降时，机体内的新陈代谢作用变得非常缓慢，所以仅仅能维持它的生命。
动物皮下脂肪，一方面可以保持体温，更重要的是供给冬眠时体内的消耗。一般动物在冬眠前的体重，都比平时增加1～2倍，冬眠之后，体重就逐渐减轻。如冬眠163天的土拨鼠体重减轻35；冬眠162天的蝙蝠体重可以减少33.5。
动物在冬眠时，血细胞还会大大减少。平时，1立方毫米土拨鼠血液中，会有12180个白细胞，但冬眠时平均只有5950个，然而，让人奇怪的是，尽管体内“卫士”──白细胞大大减少，但冬眠动物却从来没有发现生病的。那么，为什么每年到一定的时候，动物就会进入冬眠呢？
哺乳动物中的单孔目、有袋目、食虫目、翼手目、啮齿目及灵长目中的个别种类，鸟类中的褐雨燕及蜂鸟等都有冬眠行为，称之为冬眠型动物，即异温动物。这类动物体型较小而代谢率较高,比大型的恒温动物,相对地要消耗更多的能量才能维持恒定体温。
熊及臭鼬等动物在冬季呈麻痹状态，但体温不降低或降低少许，且易觉醒，有半冬眠动物之称。变温动物到冬季亦呈麻痹状态，但它们的体温是随环境温度被动地变化，在温度降低到可耐受温度以下时，不会被激醒，而是被冻死。这种行为与恒温动物的冬眠完全不同。称之为蛰眠。
冬眠型动物的年度周期可分为非冬眠季节（生殖季节）与冬眠季节。北京地区的刺猬约于3月底出眠,并立即进行生殖活动，完成生殖后便转入肥育期，一直到10月初，是非冬眠季节；10月-3月是冬眠季节。此时,动物蜷缩不动，不吃不喝，代谢率降低到最低水平。在这两个季节里，动物的生理状态迥然不同,但又互相依存。
非冬眠季节后期的肥育为冬眠储存能量，在冬眠季节后期，性腺开始发育，动物出眠后便可立即进行生殖活动。冬眠型动物在非冬眠季节中，其体温是恒定的，而在冬眠季节体温是可变的。故特称为异温动物。
在非冬眠季节里其体温也有2～5c的波动，而与其亲缘相近的非冬眠型动物的体温波动仅0.5c左右。此外,冬眠型动物对低温的耐受能力也显然地大。人的致死低体温是29～26c，大鼠是15～13c,而冬眠型动物则可耐受接近0c的低体温，甚至超冷状态，如蝙蝠超冷到-9c仍可复苏，自动产热使体温上升到正常。这是异温动物区别于恒温动物或变温动物的重要特征。
动物以中止生活活动的状态去越冬，称为冬眠。通常是指恒温动物季节性的非活动状态，但广义地也适用于陆生变温动物（节肢动物、陆生贝类、两栖类、爬虫类等）的越冬。变温动物的体温随着冬季的到来与外界温度一起下降，以至很快变得不能进行生活活动的状态。但在这之前，则向避风和温度下降不剧烈的地方移动而进入冬眠。一般多选择阳坡的地下或石头下面等处。作为冬眠的准备，动物在体内蓄积脂肪。对于昆虫类，可依种的不同，分别选择卵、幼虫、蛹、成虫的某一个阶段越冬。
恒温动物中的冬眠动物有刺猬、松鼠、山猫、蝙蝠等小形哺乳类。它们与大形动物相比，其体表面积与体积之比大，因而放热比例也大，在冬季缺乏维持体温所需的产生能量的食物。所以冬眠就是对这些条件的一种适应。
寒冷、食物和水的不足以及昼间缩短等刺激，作用于脑下垂体—内分泌系统而诱发冬眠，不过发生机制尚不甚清楚。为了准备冬眠，在体内合成大量脂肪，或者把食物贮藏在巢穴内。组织脂肪的不饱和度增高，融点下降。体温缓慢下降，形成仅比外界温度高0.5—2.0c的状态。心搏数、呼吸数、代谢量仅成正常状态的几十分之一。血糖也下降，血清中的g2增加。冬眠动物与非冬眠动物相比，以及冬眠期与非冬眠期相比，其组织的抗寒性强，特别是细胞膜的机能可在极低的温度下保持正常。
在冬眠中，体温调节机能并没有完全丧失，当体温达到某一限度时，调节机能发生作用，有的开始苏醒而活动。许多种动物在冬眠期间能定期苏醒，进行排泄和食物。与进入冬眠的情况相比，而苏醒时的体温变化（上升）快。在交感神经系统的支配下，颈部和肩甲部的褐色脂肪组织活化，产生大量的热量。这种热随着血流传到身体各部。以肉为食物的熊和臭鼬冬天守在洞里，则不属于上述的真正冬眠，而是近于睡眠的状态，体温的下降只在数度以内，对外界的刺激能立即做出反应。
深眠这个阶段长短不定，一般可达数月之久。这时的生理状态发生极大变化。呼吸明显减少，如刺猬的呼吸运动,从常温的每分钟6～18次,降到每分钟1～3次(28～18c)。在此阶段有时还出现一种间歇式(阵发性)呼吸，即在短时期较快地连续呼吸之后有一个较长的停息。与恒温动物不同，冬眠动物的间歇性呼吸属于正常的生理状态。
与此同时，循环系统亦发生显著变化，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6～9c(2～15c),达乌尔黄鼠约为10c。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1.5～2.5小时便可使体温上升30多度而完全苏醒。