Сформулированы две альтернативные гипотезы об организации болевого восприятия: а) существуют специфические болевые рецепторы (свободные нервные окончания с высоким порогом реакции), и б) специфических болевых рецепторов нет, а боль возникает при сверхсильном раздражении любых рецепторов.

Известно двойное ощущение боли. Боль, возникающая сразу после нанесения сильного раздражения (четко локализованная, непродолжительная) называется первичной (эпикритической) и обусловлена проведением сигнала по толстым, быстро проводящим нервным волокнам типа А. Спустя 1-2 секунды боль становится более интенсивной, жгучей, разлитой и длительной. Это вторичная (протопатическая) боль, и она обусловлена проходом возбуждения по тонким, более медленно проводящим нервным волокнам типа С.

Передача болевых импульсов усиливается вследствие облегчающего влияния таких нейромедиаторов, как вещество Р, которое действует в определенных участках спинного мозга. С другой стороны, в организме могут вырабатываться эндорфины, которые частично или полностью блокируют боль, подавляя освобождение вещества Р.

Установлено, что формирование ощущения боли начинается на уровне ядер зрительного бугра, а осознание боли и локализация ее по отношению к определенной части тела осуществляются при обязательном участии сенсомоторной зоны коры головного мозга. При заболеваниях внутренних органов известны так называемые отраженные боли, проецирующиеся в определенные зоны кожной поверхности (зоны Захарьина — Геда). Так, при стенокардии кроме болей в сердце ощущается боль в левой руке и лопатке. При болевых, тактильных и температурных раздражениях "активных" точек кожи (иглоукалывание или акупунктура) включаются цепи рефлекторных реакций, опосредуемых центральной и вегетативной нервной системой. Они могут избирательно влиять и изменять кровоснабжение и трофику тех или иных органов, оказывая лечебное воздействие.

В клинических условиях болевая чувствительность исследуется попеременным нанесением уколов булавкой больному с закрытыми глазами. Известны аппаратные методики определения болевой чувствительности — алгометры, где дозированное нанесение болевого раздражения осуществляется электрическим током или специальной иглой.