Resumo Objetivo Analisar a relação entre fadiga, qualidade do sono, variáveis de saúde e laborais em trabalhadores de enfermagem de terapias intensivas, na pandemia COVID-19. Métodos Estudo transversal, correlacional, realizado de julho de 2020 a fevereiro de 2021, com amostra aleatória e probabilística de enfermeiros e técnicos de enfermagem de hospitais universitários do Rio Grande do Sul, Brasil. Para a coleta de dados foi utilizado questionário sociodemográfico/ocupacional, Escala de Avaliação da Fadiga e Índice de Qualidade do Sono de Pittsburgh. Nas análises utilizaram-se teste Qui-Quadrado, teste U Mann-Whitney e coeficiente de correlação de Spearman, com nível de significância de 5%. Foi realizada análise de regressão binária logística. Resultados Participaram 114 trabalhadores, com prevalência de fadiga baixa e qualidade do sono ruim. A fadiga alta associou-se às variáveis ir trabalhar doente e perceber ruídos/vibrações como causa de desconforto. Técnicos de enfermagem associaram-se a qualidade do sono ruim e preocupação com a exposição a substâncias químicas. Fadiga e Qualidade do sono correlacionaram-se de forma moderada e direta. As análises ajustadas evidenciaram que enfermeiros e técnicos de enfermagem com fadiga alta apresentaram quatro vezes mais chances de terem qualidade do sono ruim (OR = 4,86; IC = 1,50-15,75). Conclusão A fadiga e qualidade do sono se correlacionaram de forma direta, e estão associados a fatores individuais e do trabalho. A fadiga alta aumentou as chances de ter pior avaliação da qualidade do sono. Estratégias institucionais e organizacionais devem ser revistas a fim de priorizar a proteção da saúde destes trabalhadores de enfermagem.