Las causas que desencadenan la fibromialgia todavía se desconocen. Los individuos afectados experimentan dolor como respuesta a estímulos que personas que no padecen la enfermedad no percibirían como tales.

Se están encontrando evidencias de la existencia de una respuesta inmune alterada que provoca una disminución del umbral de la sensibilidad algésica (mayor sensibilidad al dolor) en pacientes que padecen este trastorno. Los investigadores han detectado niveles muy elevados de una sustancia química producida por el sistema nervioso (sustancia P) así como de factores de crecimiento en el líquido que recubre el cerebro.

Además de existir niveles elevados de neurotransmisores estimulantes del SNC, los pacientes afectados poseen niveles bajos de serotonina. La serotonina es un neurotransmisor que interviene en el control de la ansiedad y de los estados de ánimo.

Los estudios realizados sobre fibromialgia concluyen que una disregulación en el sistema nervioso central provoca respuestas hiperalgésicas, pudiendo explicar este hecho la alteración de la percepción del dolor.