Občutek bolečine se je razvil, da bi zagotovili, da se organizmi izognejo škodljivim ali smrtonosnim dražljajem. Bolečina ima močno čustveno komponento, a tudi resnična fiziološka osnova za občutek. Študije fiziologije bolečine so pokazale, da se bolečina zaznava in prenaša v možgane podobno kot drugi fizični občutki, kot sta temperatura ali dotik.
Mnoge živali, vključno z ljudmi, imajo receptorje, specifične za bolečino, imenovane nocioceptorji. Ti obstajajo po vsem telesu, z izjemo možganov, in so prosti živčni končiči. Ob prisotnosti bolečih dražljajev povzročijo vžig nocioceptorske celice. Vzroki za bolečino so lahko številni, saj lahko mehanski, kemični, električni in biološki dražljaji povzročijo sprožitev.
Po začetnem sprožitvi nocioceptorja se signal prenese na druge celice, ki posredujejo informacije v hrbtenjačo in možgane. Po sodobnih raziskavah fiziologije bolečine se bolečina zazna, ko ti signali dosežejo osrednji živčni sistem. Talamus je prvo področje, kjer zaznamo bolečino.
Signal se nato prenese v limbični sistem, ki je odgovoren za čustveni vidik bolečine, in hkrati v možgansko skorjo. Tu poteka interpretacija in zaznavanje bolečine. Nekateri deli skorje, vključno s primarno senzorično skorjo, omogočajo lociranje vira bolečine.
V fiziologiji bolečine obstajata dve različni vrsti živčnih vlaken, ki predstavljata dve vrsti bolečine. Prva vrsta, imenovana vlakna A, posreduje hitre informacije o nenadni bolečini, kot je ureznina ali opeklina. Hiter prenos omogoča refleksne reakcije, kot je odmik od vzroka bolečine, preden možgani sploh zaznajo samo bolečino.
Druga vrsta živčnih vlaken, ki so pomembna pri fiziologiji bolečine, so manjša vlakna C. Ta vlakna prenašajo sporočila po začetnem občutku bolečine in prenašajo tope bolečine ali blage opekline, ki sledijo po močnejši začetni bolečini. Sporočila iz C vlaken se prenašajo počasneje zaradi svoje velikosti in ker njihovi aksoni niso zaviti v mielin. Menijo, da so odgovorni za nekatere občutke kronične bolečine.
Z razumevanjem fiziologije bolečine so bili razvidni različni cilji za zdravila proti bolečinam. Številni načini zdravljenja bolečine se osredotočajo na zaviranje signalov bolečine, ki se nanašajo na čustveno komponento bolečine, vključno z narkotičnimi lajšalci bolečin. Sredstva proti bolečinam brez recepta pogosto zmanjšajo vnetje in prenos začetnih bolečinskih signalov iz nocioceptorjev. Spet druga zdravila proti bolečinam vključujejo antiepileptična zdravila, ki skušajo preprečiti nenehno zaznavanje bolečine zaradi napačnega vžiga celic v živčnem sistemu.