В мозге нет одного конкретного участка, который бы отвечал за боль. Вместо этого существует несколько взаимосвязанных областей коры и подкорки, каждая из которых вносит свой вклад в восприятие боли. Все эти области не функционируют изолированно; они работают вместе, создавая общую картину боли.

Таламус необходим для первоначального ощущения боли, именно туда идет путь болевой чувствительности, прежде чем дойти до коры головного мозга. Он служит своего рода ретранслятором болевых сигналов, направляя их в различные отделы коры головного мозга для дальнейшей обработки.

Первичная соматосенсорная кора находится в теменной доле и отвечает за сенсорное восприятие боли, включая её локализацию (согласно соматотопической проекции) и интенсивность. Это одна из первых областей, активируемых в ответ на болезненные раздражители. Вторичная соматосенсорная кора, работая совместно с первичной, обеспечивает дальнейшую обработку сенсорной информации, связанной с болью.

Островковая доля отвечает за обработку эмоциональных переживаний, связанных с болью, и часто активируется вместе с передней поясной корой во время болевых ощущений.

Миндалевидное тело (или миндалина), в свою очередь, добавляет эмоциональный контекст к сенсорному восприятию, что может усиливать или ослаблять восприятие боли в зависимости от прошлого опыта и эмоционального состояния.