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随着神经生理学研究的不断深入，发现神经系统中负责疼痛和疼痛刺激传导的解剖结构及相关神经内分泌物质早在出生前就已发育，且新生儿的感觉传导通路比抑制性通路更易兴奋，这意味着新生儿更易感知疼痛。疼痛是一种躯体或内脏不适感，个体对疼痛或应激的生理反应，以内分泌代谢反应、自主神经反应、神经生理反应和/或行为反应的改变为主要特征。评估和治疗新生儿疼痛的必要性已日益得到重视。
新生儿受到疼痛刺激时，可即时表现出激惹、害怕、睡眠和觉醒状态紊乱、耗氧量增加、通气-血流灌注不匹配、营养摄入减少、胃酸增加等。
疼痛刺激可导致新生儿代谢增加，灌注减少，呼吸、免疫改变，病情恢复慢，伤口延期愈合，情绪改变等全身反应。操作性疼痛所致的生理、行为变化可加重其病情，而且在多次静脉穿刺后可出现痛觉过敏；反复受到疼痛刺激会导致神经系统结构和功能的重组。早产儿生后早期的疼痛应激与脑室内出血和脑室周围白质软化有关。
近红外光谱检测（near infrared spectroscopy，NIRS）显示，早产儿脑部的躯体感觉区对疼痛刺激（如足跟采血或静脉穿刺）产生皮质激活增强；采用NIRS和脑电图的同步影像学和生理学检查具有更高的时间和空间分辨率，也证实了皮质激活。在不足7日龄的足月儿中，功能性磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）检查发现，在健康成人受到损伤性刺激后通常会激活的20个脑部区域中，有18个激活，杏仁核及眼窝前额皮质没有激活，这些结果证明新生儿疼痛的感觉性和情感性成分是被激活的，提示其疼痛体验与成人非常相似。
有研究表明早期的疼痛经历会对日后行为产生影响，这种影响取决于疼痛的类型、持续时间及程度，新生儿反复遭受疼痛会引起痛觉改变。对足月儿疼痛刺激的长期随访研究表明，继发性的疼痛过敏能持续数月甚至数年，并可导致患儿日后出现慢性疼痛综合征和躯体不适、社交困难、发育迟缓、儿童期注意力不集中、自我调节能力差、学习困难等行为功能障碍。
出生时经历了包皮环切术疼痛的婴儿，在4~6个月后免疫接种时会感到更强烈的疼痛；而出生时经历过胃管引流的新生儿，证实在青春期或成年期发生肠易激综合征的概率增至3倍。早产儿在青春期表现出的躯体疼痛敏感性高于足月儿。这些发现和其他动物试验证实了一种理论，即新生儿反复经历疼痛会导致其疼痛过程的永久性改变。在经历过新生儿期疼痛的成年动物中，也报道了神经解剖学和行为改变。有研究显示，与对照组相比，新生小鼠经历持续性后爪疼痛诱发了其成年时主要传入神经元和脊神经元回路的改变，基线时和感觉刺激后均有改变。另一研究表明，神经元兴奋性毒性引起反复炎性疼痛后，神经解剖学和行为发生了改变，而该疼痛经氯胺酮镇痛可减轻。神经影像学、神经内分泌和神经行为学研究也显示，新生儿经历的反复疼痛会影响神经发育的远期结局。暴露于疼痛相关应激的频率与后续认知功能发育损伤、神经认知过程的改变、脑皮质厚度降低、下丘脑-垂体-肾上腺轴的调节异常有关。