Zaznavanje bolečine je del somatosenzoričnega sistema. Gre za kompleksno zaznavo, ki jo doživljamo z burno čustveno in vegetativno reakcijo in je rezultat vzdraženja perifernih ali visceralnih nociceptorjev. To so prosti živčni končiči, ki so v večini primerov obdani s Schwannovimi celicami in imajo sposobnost zaznavanja dražljajev, ki bi lahko poškodovali tkivo. Na njih se ob dovolj močnem mehanskem, kemičnem ali toplotnem draženju sproži akcijski potencial, ki se po različnih poteh prenese v osrednje živčevje.

Aferentna vlakna, ki prevajajo bolečinske dražljaje, so Aδ in C, oboja pa so počasi prevajajoča in tanka. Aδ (tudi III) so tanka in fino, rahlo mielinizirana vlakna, ki prevajajo hitreje (5-30 m/s) in so pomembna pri prenosu natančno lokalizirane, zbadajoče, ostre »prve bolečine«. C (tudi IV) so tanka in nemielinizirana vlakna, ki so počasnejša (0,5-2 m/s) in so udeležena pri prenosu difuzne – razpršene, zakasnjene, tope, pekoče »sekundarne bolečine«. Znotraj teh dveh skupin jih delimo po občutljivosti na mehanosenzitivna, termosenzitivna in mešana vlakna. Najpogostejša oblika, ki predstavlja polovico kožnih C vlaken, so polimodalna vlakna, ki so odzivna na vročino in mehanski stimulus. Različna občutljivost aferentnih vlaken je posledica različnih membranskih receptorjev. Ob vzdraženju nociceptorjev se iz poškodovanih celic sproščajo tudi kemične komponente npr. brahikinini, tahikinini – substanca P (SP), prostaglandini, CGRP (calcitonin gene-related protein), vodikovi in kalijevi ioni. Te povzročajo edem in rdečino okoliške kože, poleg tega pa aktivirajo tihe in neobčutljive nociceptorje. Njihova senzitizacija je osnova dveh pojavov, in sicer allodinije in hiperalgezije. Pri prvem gre za pojav občutka bolečine ob dražljaju, ki je bil pred poškodbo nenevaren, pr drugem pa za povečano stopnjo bolečine pri že bolečem dražljaju.

Glavni ekscitatorni nevrotransmiter v centralnem živčnem sistemu je glutamat. Skupaj s SP povzroči ojačan in dalj časa trajajoč odgovor, kar imenujemo centralna senzitizacija, CGRP pa povzroči povečano sproščanje SP in preprečuje njeno aktivnost z inhibicijo njene encimske razgradnje. Proge so ob šibkih mehanskih ali močnih neprijetnih dražljajih inhibirane preko GABA, glicina in endogenih opioidnih peptidov.
Zaznavanje bolečine iz obraza in glave poteka po enaki poti kot iz telesa. Iz spinalnega dela trigeminusovega jedra se usmeri kontralateralno v ventralno posteriorno medialno in ventralno posteriorno intermediarno jedro ter v intralaminarna jedra. Od tam se poti nadaljujejo v somatosenzorično skorjo, kjer poteče ločevanje bolečinskih in temperaturnih signalov, in v druge dele skorje.

Primarni nevroni imajo telesa v spinalnem gangliju in grejo v zadnji rog hrbtenjače. Od tam naprej imamo tri poti, po katerih se lahko prevaja bolečina. Najpomembnejša je spinotalamična proga. Začne se s preklopom primarnih nevronov na sekundarne v zadnjem rogu hrbtenjače. Večina vlaken se že takoj nad mestom vstopa ali malce višje križa in poteka v anterolateralnem funiklu v talamus. V talamusu se preklopi na tretji nevron in se preko ventralnega posteriornega lateralnega jedra, ventralnega posteriornega intermediarnega jedra in posteriornega jedra usmeri na primarno senzorično možgansko skorjo. Preko nespecifičnih intralaminarnih jeder talamusa se usmeri na gyrus cingularis ali v insulo, ki je del limbičnega sistema (čustveni odziv).
Druga pot je spinoretikularna proga, ki vodi do retikularne formacije v meduli oblongati in ponsu. Usmeri se v intralaminarna jedra talamusa in proti različnim delom možganske skorje, odgovorna pa je za preusmeritev pozornosti. Tvori tudi descendentne retikulospinalne poti, ki sodelujejo v prenosu bolečine.
Tretji način je spinomezencefalna proga, ki se konča v periakveduktalni sivini mezencefalona, komponenti endogenega analgezijskega sistema. To področje povezujemo z nastankom občutka odpora ob bolečini, ima pa tudi povezave z amigdalo (limbični sistem – čustveni odziv) in z jedri, bogatimi z noradrenalinom in serotoninom. Možganska skorja ne sodeluje pri zaznavi bolečine; pomembna je za lokalizacijo bolečine.

V primeru občutka bolečine, ko nociceptorji niso vzdraženi, govorimo o nevropatski bolečini. Poznamo fantomsko bolečino po amputaciji uda in pa kavzalgijo, kjer gre za delno poškodbo perifernega živca, pri čemer občutek bolečine ostane tudi, ko je tkivo že obnovljeno. Takšne pojave lahko razložimo z dejstvom, da pride do spontane aktivnosti v celicah zadnjega roga in zato do povečane aktivnosti natrijevih kanalčkov, to pa vodi v signaliziranje in bolečino.