Las investigaciones sugieren que las personas con fibromialgia tienen niveles anormales de sustancias químicas diversas en la sangre o en el fluido cerebroespinal, que contribuyen a la transmisión y amplificación de las señales de dolor desde y hacia el cerebro. Hay evidencias de que en personas con este síndrome, el sistema nervioso central está incapacitado para inhibir el dolor. Además de los informes clínicos, los estudios de imagen cerebral confirman que cuando los pacientes reciben cantidades pequeñas de presión o de calor experimentan más dolor.
No se sabe si estas anormalidades provocan fibromialgia, aunque no se ha demostrado el mecanismo etiopatogénico de dicha asociación, se cree que el estrés crónico, dolor crónico, la frustración personal tanto dependiente como independiente de la enfermedad, la automedicación, el retraso diagnóstico o la falta de tratamiento pueden estar relacionados con la presencia de estos trastornos en el estado de ánimo.