Osjećaj boli je evoluirao kako bi se osiguralo da organizmi izbjegnu štetne ili smrtonosne podražaje. Postoji jaka emocionalna komponenta boli, ali i prava fiziološka osnova za osjećaj. Studije fiziologije boli otkrile su da se bol osjeća i prenosi u mozak slično kao i drugi fizički osjeti kao što su temperatura ili dodir.
Mnoge životinje, uključujući ljude, imaju receptore specifične za bol zvane nocioceptori. Oni postoje u cijelom tijelu, s izuzetkom mozga, i slobodni su živčani završeci. U prisutnosti bolnih podražaja izazivaju paljenje nocioceptorske stanice. Može postojati mnogo potencijalnih uzroka boli, budući da mehanički, kemijski, električni i biološki podražaji mogu dovesti do pucanja.
Nakon početnog aktiviranja nocioceptora, signal se prenosi na druge stanice koje prenose informacije u leđnu moždinu i mozak. Prema suvremenim istraživanjima fiziologije boli, bol se percipira kada ti signali dođu do središnjeg živčanog sustava. Talamus je prvo područje gdje se osjeća bol.
Signal se zatim prenosi u limbički sustav, koji je odgovoran za emocionalni aspekt boli, i istovremeno u moždanu koru. Ovdje se odvija interpretacija i percepcija boli. Neki dijelovi korteksa, uključujući primarni senzorni korteks, omogućuju lociranje izvora boli.
Postoje dvije različite vrste živčanih vlakana u fiziologiji boli, koja predstavljaju dvije vrste boli. Prvi tip, nazvan A vlakna, prenosi brze informacije o iznenadnoj boli, poput posjekotine ili opekline. Brzi prijenos omogućuje refleksne reakcije, kao što je udaljavanje od uzroka boli, prije nego što mozak uopće percipira samu bol.
Druga vrsta živčanog vlakna važna u fiziologiji boli je manja C vlakna. Ova vlakna prenose poruke nakon početnog osjećaja boli i prenose tupe bolove ili blage opekline koje slijede nakon oštrije početne boli. Poruke iz C vlakana prenose se sporije zbog svoje veličine i zato što njihovi aksoni nisu omotani mijelinom. Smatra se da su odgovorni za neke osjete kronične boli.
Različiti ciljevi za lijekove protiv bolova postali su očigledni razumijevanjem fiziologije boli. Mnogi tretmani za bol usredotočuju se na inhibiranje signala boli koji se odnose na emocionalnu komponentu boli, uključujući narkotičke lijekove protiv bolova. Lijekovi protiv bolova bez recepta često smanjuju upalu i prijenos početnih signala boli od nocioceptora. Ipak, drugi lijekovi protiv bolova uključuju antiepileptičke lijekove koji nastoje spriječiti stalnu percepciju boli zbog neusklađenih stanica u živčanom sustavu.