Aktiviteten hos hundratals gener förändrades när människors sömn klipptes till mindre än sex timmar om dagen i en vecka.
Forskarna skrev i tidskriften PNAS att resultaten hjälpte till att förklara hur dålig sömn skadade hälsan.
Hjärtsjukdom, diabetes, fetma och dålig hjärnfunktion har alla kopplats till undermålig sömn.
Vad som saknas timmar i sängen faktiskt gör för att förändra hälsan, är dock okänt.
Så forskare vid University of Surrey analyserade 26 personers blod efter att de hade haft gott om sömn, upp till 10 timmar varje natt i en vecka, och jämförde resultaten med prover efter en vecka på mindre än sex timmar per natt.
Mer än 700 gener förändrades av skiftningen. Var och en innehåller anvisningar för att bygga ett protein, så de som blev mer aktiva producerade mer proteiner - ändra kemin i kroppen.
Källor: Mental Health Foundation och BBC Science
Upptäck vad som stör din sömn mest
Samtidigt stördes den naturliga kroppsklockan - vissa gener vaxar naturligt och avtar i aktivitet under dagen, men denna effekt dämpades av sömnbrist.
Prof Colin Smith, från University of Surrey, berättade för BBC: "Det var en ganska dramatisk förändring i aktivitet i många olika typer av gener."
Områden som immunsystemet och hur kroppen reagerar på skador och stress påverkades.
Prof Smith tillade: " Det är mycket viktigt med en klar sömn för att bygga upp kroppen och upprätthålla ett funktionellt tillstånd, och alla slags skador tycks inträffa, som antyder vad som kan leda till dålig hälsa.
"Om vi inte faktiskt kan fylla på och ersätta nya celler, då kommer det att leda till degenerativa sjukdomar."
Han sade att många människor kan vara ännu mer sömnlösa i sitt dagliga liv än de i studien - tyder på att dessa förändringar kan vara vanliga.
Dr Akhilesh Reddy, specialist på kroppsklockan vid University of Cambridge, sa att studien var "intressant".
Han sade att de viktigaste fynden var effekterna på inflammation och immunsystemet eftersom det var möjligt att se ett samband mellan dessa effekter och hälsoproblem som diabetes.
Resultaten hänger också samman med forskning som försöker göra sig av med sömnen, till exempel genom att hitta ett läkemedel som kan eliminera effekterna av sömnbrist.
Doktor Reddy sade: " Vi vet inte vad strömbrytaren är som orsakar alla dessa förändringar, men teoretiskt sett kan du, om du kunde slå på eller stänga av den, komma undan utan sömn.
"Men min känsla är att sömn är grundläggande viktigt för att återskapa alla celler."
En kör av dålig sömn kan ha en potentiellt djup inverkan på den inre fungerar av människokroppen, säger brittiska forskare.