Sāpju sajūta attīstījās, lai nodrošinātu, ka organismi izvairās no kaitīgiem vai letāliem stimuliem. Sāpēm ir spēcīga emocionāla sastāvdaļa, bet arī reāls fizioloģisks sajūtas pamats. Sāpju fizioloģijas pētījumi atklāja, ka sāpes tiek uztvertas un nodotas smadzenēm līdzīgi kā citas fiziskas sajūtas, piemēram, temperatūra vai pieskāriens.
Daudziem dzīvniekiem, tostarp cilvēkiem, ir sāpju receptori, ko sauc par nocioreceptoriem. Tie pastāv visā ķermenī, izņemot smadzenes, un ir brīvi nervu gali. Sāpīgu stimulu klātbūtnē tie izraisa nocioreceptoru šūnas aizdegšanos. Sāpju cēloņi var būt daudzi, jo mehāniski, ķīmiski, elektriski un bioloģiski stimuli var izraisīt šaušanu.
Pēc sākotnējās nocioreceptoru iedarbināšanas signāls tiek pārraidīts uz citām šūnām, kas nosūta informāciju uz muguras smadzenēm un smadzenēm. Saskaņā ar mūsdienu sāpju fizioloģijas pētījumiem sāpes tiek uztvertas, kad šie signāli sasniedz centrālo nervu sistēmu. Talamuss ir pirmā vieta, kur jūtamas sāpes.
Pēc tam signāls tiek pārnests uz limbisko sistēmu, kas veido sāpju emocionālo aspektu, un vienlaikus arī uz smadzeņu garozu. Šeit notiek sāpju interpretācija un uztvere. Dažas garozas daļas, tostarp primārā sensorā garoza, ļauj noteikt sāpju avotu.
Sāpju fizioloģijā ir divu veidu nervu šķiedras, kas veido divu veidu sāpes. Pirmais veids, ko sauc par A šķiedrām, pārraida ātru informāciju par pēkšņām sāpēm, piemēram, griezumu vai apdegumu. Ātra pārraide ļauj veikt refleksiskas reakcijas, piemēram, attālināties no sāpju cēloņa, pirms smadzenes pat uztver pašas sāpes.
Cits nervu šķiedru veids, kas ir svarīgs sāpju fizioloģijā, ir mazākā C šķiedra. Šīs šķiedras pārraida ziņojumus pēc sākotnējās sāpju sajūtas un nodod blāvas sāpes vai vieglus apdegumus, kas rodas pēc asākām sākotnējām sāpēm. Ziņojumi no C šķiedrām tiek pārnesti lēnāk to lieluma dēļ un tāpēc, ka to aksoni nav iesaiņoti mielīnā. Tiek uzskatīts, ka tie ir atbildīgi par dažām hronisku sāpju sajūtām.
Sāpju fizioloģijas izpratne ir atklājusi dažādus sāpju medikamentu mērķus. Daudzas sāpju ārstēšanas metodes ir vērstas uz sāpju signālu nomākšanu, kas attiecas uz sāpju emocionālo komponentu, tostarp narkotiskos pretsāpju līdzekļus. Bezrecepšu pretsāpju līdzekļi bieži samazina iekaisumu un sākotnējo sāpju signālu pārraidi no nocioreceptoriem. Vēl citas pretsāpju zāles ietver pretepilepsijas zāles, kuru mērķis ir novērst nepārtrauktu sāpju uztveri no šūnām, kas nedarbojas nervu sistēmā.