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。
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0.7,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5c一10c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1c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，由警戒温度感受器执行，现知黄鼠的警戒温度感受器在中枢神经内部，而冬眠睡鼠则在后腿。
人们认为冬眠过程受多种内分泌腺体所调节，但是不同的实验动物或不同的方法所得到的结果很不一致，甚至互相矛盾。故这方面的进展甚慢。报道较多的是松果腺和甲状腺与冬眠的关系，较为肯定松果腺为冬眠所需。甲状腺在冬眠时则减退，甚至在肥育期便开始减少分泌，以利脂肪的积累。5-羟色胺也参与某些动物的入眠过程。有学者曾在冬眠动物血液中发现冬眠触发物及抑制物。把触发物注射到活动动物体内，能诱使十三线黄鼠在非冬眠季节入眠，如加入抑制物则能阻止触发物作用。但这一发现还有待进一步证实。
地球上可控制自己体温的动物,称为恒温动物。可因环境温度改变而调节体温的动物,称为变温性动物,这些变温动物在冬天寒冷时,体温随着下降,而活动也跟着停止,此时体内对能量的消耗也随着减少,如此在不吃食物的状态下也能维持生命。