สำหรับผู้ป่วยที่อาการนอนไม่หลับเกิดขึ้นโดยไม่ทราบสาเหตุที่ชัดเจน หรือผลการตอบสนองต่อการรักษาไม่เป็นที่น่าพอใจ หรือมีโรคทางจิตเวชและปัญหาการนอนอย่างอื่นร่วมด้วย เช่น การนอนกรน แพทย์มักจะแนะนำให้ผู้ป่วยทำการตรวจวินิจฉัยการนอนหลับ (Sleep test) เพื่อทำประเมินการนอนหลับอย่างใกล้ชิด

การตรวจการนอนหลับทำโดยใช้ ‘โพลีซอมโนกราฟี่’ (Polysomnography หรือ PSG) ซึ่งเป็นเครื่องมือที่ผสมผสานการตรวจหลายชนิดเข้าด้วยกัน ประกอบด้วยการตรวจวัดคลื่นไฟฟ้าสมอง (Electroencephalography หรือ EEG) การบันทึกการเคลื่อนไหวของกล้ามเนื้อลูกตา (Electro-Oculography หรือ EOG) และการตรวจการทำงานของกล้ามเนื้อ (Electromyography หรือ EMG) เพื่อประเมินลักษณะและคุณภาพของการนอนหลับ รวมถึงประเมินระดับความลึกของการนอนหลับ

นอกจากนี้ยังมีการตรวจคลื่นไฟฟ้าหัวใจ (Electrocardiography หรือ ECG การตรวจวัดความอิ่มตัวของระดับออกซิเจน (Oxygen saturation) การบันทึกการเคลื่อนไหวของหน้าอกและหน้าท้อง การวัดลมหายใจที่ผ่านทางจมูกและช่องปาก (Air flow) การตรวจเสียงกรน ซึ่งการตรวจในกลุ่มนี้ทั้งหมดทำเพื่อประเมินการทำงานของระบบการหายใจในขณะนอนหลับ โดยเฉพาะการตรวจหาภาวะหยุดหายใจระหว่างการนอนหลับ (Sleep apnea) ซึ่งส่งผลต่อคุณภาพการนอนหลับได้

นอกจากนี้การตรวจ Polysomnography ยังรวมการตรวจท่าทางการนอนหลับและการตรวจอื่นที่อาจจะเสริมเข้ามาสำหรับการวินิจฉัยโรคอื่นที่เกี่ยวข้องกับการนอนหลับ ดังนั้นจะเห็นได้ว่าการตรวจ Polysomnography เป็นการรวมการตรวจหลายชนิดไว้ในเครื่องมือเดียวเพื่อทำการประเมินการนอนหลับอย่างครบถ้วน โดยทั่วไปการตรวจนี้จะพิจารณาทำในผู้ป่วยที่นอนไม่หลับเฉพาะเป็นบางรายเท่านั้น ข้อมูลที่ได้จากการตรวจจะมีความสำคัญต่อการวางแผนการรักษาที่เหมาะสมยิ่งขึ้น