雖然這個問題在生活中十分常見，醫學上卻沒有確定的研究結論。較普遍的觀點認為：這是眼瞼下分布著的血管顯出的顏色。缺乏睡眠使得皮膚顯得蒼白，因而使血管的顏色看上去加深了。

　　這種現象之所以發生在眼睛下方，是因為這個部位的皮膚是人體全身最薄的，只有0.5毫米（其它部位為2毫米左右），這里的血管距離皮膚表面很近，因而會在眼睛下方產生暗藍色的陰影。這種觀點缺乏研究證據，不過比起其它一些沒有根據的猜測，這種解釋還是比較靠譜的。根據生活經驗，冷敷（例如用冷的茶包或者黃瓜片）以及咖啡因軟膏對于睡眠不足引起的黑眼圈有即時的緩解效果，而這二者都具有收縮血管的功能。這可以算作是一個旁證。

　　另一種相關的解釋是缺乏睡眠會使毛細血管膨脹，增加其可見度。這種說法可能的依據是缺乏睡眠時血壓會上升這一事實。此外，困倦時揉眼睛也可能會加深血管的可見度。

　　醫學上針對黑眼圈的研究，主要集中在長期的或由某種癥狀導致的黑眼圈。黑眼圈本身可以由很多原因引起，缺乏睡眠只是其中之一。遺傳、過敏反應、貧血（缺鐵）、懷孕、月經、脫水、一些藥物、衰老等都會產生黑眼圈。而且不同原因導致的黑眼圈，其生理機制可能完全不同。例如，缺鐵導致黑眼圈的機制和缺乏睡眠相似，都是由皮膚變蒼白而凸顯的；遺傳因素或懷孕導致的黑眼圈，往往與黑色素的沉積有關；而隨著年齡增加而出現的黑眼圈，則與皮膚變薄變松弛、陰影加深有關。與這些原因引起的黑眼圈相比，睡眠不足引起的黑眼圈很容易消退，對健康影響不大，因而相關的研究文獻不多。