焦虑症睡不着觉，主要是由于大脑的警觉系统异常活跃，导致身体始终处于一种高度戒备的应激状态，从而抑制了正常的睡眠启动和维持机制。
焦虑症患者大脑中的神经递质，如血清素、去甲肾上腺素和γ-氨基丁酸（GABA）等常处于失衡状态。血清素水平过低会引发焦虑情绪并破坏睡眠节律，而去甲肾上腺素过多则会使神经系统持续兴奋。GABA作为一种抑制性神经递质，其功能减弱时，大脑无法有效平静下来，导致入睡困难。针对这种情况，临床上会使用盐酸舍曲林片、盐酸帕罗西汀片等选择性5-羟色胺再摄取抑制剂来调节神经递质，或使用艾司唑仑片等苯二氮䓬类药物来增强GABA的抑制效果，帮助患者镇静安眠。这些药物均需在医生指导下使用。
焦虑症患者常伴有“灾难化思维”和过度担忧，尤其是在夜间独处时，负面想法容易反复出现。这种对睡眠本身的焦虑，即害怕睡不着，会进一步激活交感神经系统，形成“越焦虑越睡不着，越睡不着越焦虑”的恶性循环。患者可能因为一次失眠就担心整夜无眠，从而加重了心理负担。改善这种情况主要依靠心理治疗，如认知行为疗法，帮助患者识别并纠正对睡眠的错误认知，建立床只用于睡眠的条件反射。患者可以在睡前进行正念冥想或渐进式肌肉放松训练，来打断消极思维的循环。
焦虑症使患者的交感神经和副交感神经功能失调。正常情况下，入睡时副交感神经应占主导，使心率减慢、呼吸平稳、肌肉放松。但焦虑症患者即使在休息时，交感神经也持续兴奋，导致心跳加速、呼吸急促、血压升高、手心出汗等生理表现。这种持续的生理警觉状态使得身体无法自然过渡到睡眠阶段。通过规律的有氧运动，如慢跑、游泳，可以帮助调节自主神经功能，促进夜间副交感神经的激活。严重者可遵医嘱使用盐酸普萘洛尔片来缓解心动过速等躯体症状，或使用盐酸文拉法辛缓释胶囊等药物改善整体焦虑水平。
长期焦虑会导致体内一种重要的压力系统，即下丘脑-垂体-肾上腺轴过度活跃，使得皮质醇这种压力激素水平异常升高。皮质醇的正常节律应是早晨最高、夜间最低，而在焦虑症患者中，夜间皮质醇水平居高不下，这会直接干扰睡眠结构，使人处于浅睡眠状态，容易惊醒且难以进入深睡眠。皮质醇还会抑制褪黑素这种诱导睡眠的激素分泌。为了调整这种内分泌紊乱，患者应建立规律的作息时间，避免睡前摄入咖啡因和酒精。医生可能会评估患者情况后使用米氮平片等抗抑郁药，这类药物在改善焦虑的同时，也有助于调节睡眠结构。
功能性影像学研究表明，焦虑症患者大脑中负责情绪处理的杏仁核和负责执行控制的前额叶皮层功能存在异常。杏仁核过度活跃，会对环境中潜在的威胁过度反应，而前额叶皮层又无法有效抑制这种过度反应。在人躺下准备入睡时，这种异常的脑区互动会导致警觉状态无法消退。此外，负责产生褪黑素的松果体功能也可能受到焦虑情绪抑制，导致体内褪黑素分泌不足。通过经颅磁刺激等物理疗法，可以调节特定脑区的兴奋性。患者也可以在医生指导下尝试使用褪黑素补充剂，但对于焦虑症患者而言，调整生活习惯和进行心理干预是更为根本的解决途径。
