正常的疼痛处理包括转导、传递、调节，最后是感知过程。当急性疼痛转为慢性疼痛时，疼痛处理通路会出现由病前风险因素和遗传因素共同导致的异常改变。
转导是指伤害性刺激激活初级传入神经元亚型即伤害感受器的过程。无论是否存在实际或潜在的组织损伤均可能发生此激活，因为在两种情况下都会产生炎症介质。除脑组织外，伤害性感受器广泛分布于全身各部位。伤害感受器包括大的、有髓鞘的Aδ纤维，负责急性的剧烈疼痛和小的、无髓鞘的C纤维，引起缓慢发作的、迟钝的、持续的或隐隐作痛的疼痛。伤害感受器多为多觉型，能根据身体部位不同对各类刺激（温度、机械或化学性）产生反应。
疼痛传导涉及许多受体。或许最广为人知的受体家族当属膜定位的瞬时受体电位（TRP）离子通道。这些受体及其他有助于激活并敏化其他伤害感受器。炎性介质可以直接刺激伤害感受器，或使其对有害刺激更易产生反应，并增加神经元兴奋性。致敏作用降低了激活阈值，并提高了由组织损伤和炎症引起的有害刺激的反应率。组织损伤也能直接刺激伤害感受器。
传导是将信号传递到中枢神经系统（CNS）的过程。C纤维和Aδ纤维均可传递信号。该信号通过背根神经节进入脊髓，并在背角形成突触。二级神经元随后通过外侧脊髓丘脑束和内侧脊髓丘脑束将信号传递至中枢神经系统。这些神经束投射至丘脑。外侧脊髓丘脑束投射至丘脑的腹后外侧核，内侧脊髓丘脑束投射至丘脑内侧。外侧束传递关于疼痛强度和位置的信息。内侧束传递疼痛不愉快的情绪感知和自主神经信息。最后，三级神经元将信号从丘脑传递至处理疼痛定位、感知及情绪成分的皮质区域。
调控是一种增强或减弱外周、脊髓及脑部疼痛信号传递的内源性过程。据认为导致这种现象的机制包括节段性抑制、内源性阿片系统和下行抑制性神经信号。此外，认知和应对策略也通过改变疼痛感知发挥作用。节段性抑制最初是Melzack与Wall描述的"闸门控制理论"的一部分，指传递非疼痛信号的邻近感觉神经元激活抑制性神经元以减少疼痛传递(4)。这解释了为何揉搓伤处可减轻痛觉。当感知无害刺激的粗大有髓（Aδ纤维）激活脊髓抑制通路时，可阻断由Aδ与C纤维传递及脊髓背角神经元处理的伤害性刺激，从而抑制无髓C纤维传入的疼痛信号传递。内源性阿片类物质（脑啡肽、内啡肽和强啡肽）与疼痛通路中的阿片受体结合，并调节疼痛信号。最后，下行抑制通路通过刺激释放血清素和去甲肾上腺素来控制伤害性信号的传递，从而抑制背角中的疼痛信号。
感知是疼痛的意识体验，由感觉、情绪及认知过程共同形成。丘脑作为中枢中继站，将疼痛信号传导至关键脑区：
体感皮层处理感觉-辨别层面信息，编码疼痛部位、强度与性质。
岛叶皮层整合疼痛感知与自主神经和情绪反应，形成主观痛觉体验。
前扣带皮层 (ACC) 介导情绪困扰、痛苦和疼痛相关的动机。
前额叶皮层（PFC）通过注意力、期望和认知调控影响疼痛感知。
边缘系统，包括杏仁核和海马体，将疼痛与恐惧、焦虑和记忆联系起来，从而影响长期的疼痛反应。
疼痛感知具有高度可变性，受心理状态、注意力、既往经历和社会环境的影响。焦虑或灾难化思维等因素会放大疼痛，而分心或认知控制可减轻疼痛。慢性疼痛如中枢敏化涉及适应性不良的神经可塑性改变，导致即使无持续伤害性输入仍存在持久性疼痛感知。
疼痛处理途径
正常疼痛处理包括转导、传递、调控及最终的感知过程。
GABA = γ-氨基丁酸。