虽然这个问题在生活中十分常见，医学上却没有确定的研究结论。较普遍的观点认为：这是眼睑下分布着的血管显出的颜色。缺乏睡眠使得皮肤显得苍白，因而使血管的颜色看上去加深了。这种现象之所以发生在眼睛下方，是因为这个部位的皮肤是人体全身最薄的，只有0.5毫米（其它部位为2毫米左右），这里的血管距离皮肤表面很近，因而会在眼睛下方产生暗蓝色的阴影。这种观点缺乏研究证据，不过比起其它一些没有根据的猜测，这种解释还是比较靠谱的。根据生活经验，冷敷（例如用冷的茶包或者黄瓜片）以及咖啡因软膏对于睡眠不足引起的黑眼圈有即时的缓解效果，而这二者都具有收缩血管的功能。这可以算作是一个旁证。
　　

另一种相关的解释是缺乏睡眠会使毛细血管膨胀，增加其可见度。这种说法可能的依据是缺乏睡眠时血压会上升这一事实。此外，困倦时揉眼睛也可能会加深血管的可见度。
　　
医学上针对黑眼圈的研究，主要集中在长期的或由某种症状导致的黑眼圈。黑眼圈本身可以由很多原因引起，缺乏睡眠只是其中之一。遗传、过敏反应、贫血（缺铁）、怀孕、月经、脱水、一些药物、衰老等都会产生黑眼圈。而且不同原因导致的黑眼圈，其生理机制可能完全不同。例如，缺铁导致黑眼圈的机制和缺乏睡眠相似，都是由皮肤变苍白而凸显的；遗传因素或怀孕导致的黑眼圈，往往与黑色素的沉积有关；而随着年龄增加而出现的黑眼圈，则与皮肤变薄变松弛、阴影加深有关。与这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，对健康影响不大，因而相关的研究文献不多。