Изучение механизмов боли длительное время, начиная с Р. Декарта, основывалось на самонаблюдениях и анализе экспериментатором собственных ощущений.
Особый интерес в этом отношении представляют самоэксперименты Геда (Н. Head, 1903). Наблюдая за регенерацией перерезанной веточки лучевого нерва, он пришел к заключению о существовании двух форм болевой чувствительности — протопатической и эпикритической; первая определяет грубые нелокализованные ощущения боли, вторая — боль тонко дифференцированную, строго локализованную. Эдриану (Е. D. Adrian, 1932) впервые удалось зарегистрировать импульсацию в чувствительных нервах, что явилось объективным критерием для изучения механизмов боли.
Внешними объективными признаками болевых реакций принято считать соответствующее агрессивное или оборонительное поведение в виде моторных реакций, мимику, слезотечение, крики и стоны, пило-моторные, зрачковые рефлексы и др. Боль характеризуют также специальные вегетативные показатели — изменения кровяного давления, сердечной деятельности, дыхания и т. п. Таким образом, болевая реакция является интегрированной реакцией, объединяющей моторные и вегетативные механизмы. Учитывая трудности оценки эмоциональных проявлений боли у животных, Шеррингтон (С. Sherrington) предложил называть рефлекторные реакции животных, возникающие в ответ на повреждающее воздействие, ноцицептивными рефлексами (от лат. nosere — вредить и capere — брать, принимать). В последнее время для характеристики болевой реакции и оборонительного состояния животных предложены специальные инструментальные методики. Животные при болевых реакциях или сигналах, извещающих о болевом раздражении, производят специальные действия — нажатие на рычаги, кнопки и т. п.