疼痛的产生起源于外周，感觉却在中枢，迄今为止认为脑内没有疼痛中枢，痛觉的最高中枢在大脑有广泛的投射区，既接受痛觉也接受其他感觉，目前认为与痛觉有关的区域有位于中央后回的皮质第一感觉区，主要是外感受器的投射区，也称疼痛分辨区。皮质第四感觉区，位于中央前回，为肌肉关节等深部感觉区，是疼痛空间（位置范围）的辩认区。皮质第二感觉区位于脑岛岛髓中央前回之间的皮质，主要是内脏感觉的投射区，并与情绪和行为有关，也称反应激动区，可产生去除或逃避刺激的行为。皮质下中枢包括间脑、脑干，并非疼痛的直接投射中枢，但参与疼痛投射调控联络的复杂机制和产生躯体反应的区域。
总之，疼痛的感知与反应活动，几乎涉及整个脑，包括丘脑、下丘脑、脑干网状结构，边缘系统、大脑皮质等部位。中枢神经系统是一种经过异化的相互作用的神经结构，司理着有关疼痛的感觉分辨、情感激动和认识评价功能，这个系统是非常复杂的。痛反应取决于感觉分辨、激动影响和认识评价等生理心理机制的活动对运动机制的作用，都是在脑和脊髓组织中进行的。脑和脊髓的下行锥体系统及其他中枢控制系统的纤维，作用于感觉分辨系统如丘脑腹侧基底核群、脊髓背角细胞也可产生下行的抑制影响，这些快速传导的上行下行系统均受到心理机制的影响，决定疼痛的性质和程度，经由粗纤维的锥体系统下达给运动神经元；另一方面通过较慢的锥体和锥体外系统下达到神经元，给予附加的刺激，使运动的最后表现具有行为性。
