Болевые сигналы передаются нервной системой так же, как информация о прикосновении, надавливании или нагревании. Бóльшая часть чувствительных нервов в коже и других тканях тела снабжена специальными рецепторными структурами, покрывающими их окончания, в то время как у нервов, передающих сигналы повреждения, окончания свободны. Чувствительность, основанная на передаче нервного раздражения, вызванного повреждением, называется ноцицептивной (от лат. noceo – повреждаю и receptivus – восприимчивый).
Повреждение тканей возбуждает сигналы в нервных волокнах двух типов. К первому относится группа толстых волокон, которые быстро проводят возбуждение (хотя и не так быстро, как волокна, несущие сигналы о прикосновении и надавливания), ко второму – группа тонких волокон, передающих возбуждение относительно медленно. Различие функций этих двух типов волокон легко выявляется, например, при травме пальца ноги. Вначале ощущается внезапная острая боль. Это первое болевое ощущение, передаваемое толстыми волокнами, достигая сознания, предупреждает о повреждении. Когда первая волна боли спадает, начинается вторая, передающаяся по тонким нервным волокнам. Эта глухая, нечетко локализованная, постоянная боль должна, по-видимому, напоминать организму о повреждении и о том, что необходимо позаботиться о безопасности и защите поврежденной ступни.

По нервным волокнам двух типов ноцицептивное возбуждение поступает в спинной мозг и через него в головной. Раньше предполагали, что спинной мозг всего лишь система для передачи информации от нервных окончаний, расположенных в тканях организма, в головной мозг; теперь известно, что ему свойственны и другие функции, в частности контроль болевых ощущений. Спинной мозг подобен телефонному кабелю, заполненному многочисленными проводами. Пучки нервных волокон выполняют ту же функцию – передают информацию. Бóльшая часть пучков, по-видимому, несет сигналы от различных частей тела в переключающий мозговой центр – таламус. Сенсорная информация сортируется в таламусе, который связан с другими частями головного мозга, в том числе с корой, где происходит осмысление поступающих сигналов.

В спинном мозгу, кроме восходящих, имеются также нисходящие пути, по которым идут нервные импульсы из головного мозга. Основная часть нисходящих путей проводит двигательные импульсы, но с помощью некоторых из них головной мозг контролирует объем и тип информации, поступающей от чувствительных нервных окончаний, расположенных в различных частях тела. По этим путям проводятся сигналы, подавляющие передачу болевых импульсов в синапсах, т.е. местах соединения периферических чувствительных нервов (идущих из очага повреждения) с нервными волокнами, восходящими по спинному мозгу в головной.

Гипофиз, расположенный в глубине головного мозга и ответственный за гормональный баланс организма, вырабатывает вещества, играющие важную роль в контроле восприятия боли. Это т.н. эндорфины, по структуре напоминающие морфин и другие опиаты. Эндорфины связываются с определенными рецепторами клеток головного мозга, подходя к ним как ключ к замку. С теми же рецепторами могут связываться и лекарственные соединения, структурно сходные с морфином. При связывании молекулы опиата или эндорфина с рецептором происходит активация определенных мозговых структур, и сигналы, посылаемые обратно в спинной мозг, тормозят болевые импульсы, поступающие по периферическим чувствительным нервам.

Действие системы контроля болевых ощущений часто наблюдается у спортсменов, получивших травму во время игры, или у солдат, раненных в бою. В этих случаях даже значительное повреждение может не осознаваться пострадавшим.

Встречаются люди с врожденной неспособностью ощущать боль. Лишенные охранительной функции боли, они уже в детстве страдают от серьезных травм и переломов. Многие из них преждевременно погибают от заболеваний типа аппендицита, так как не ощущают болевых симптомов и не обращаются своевременно за медицинской помощью.