A dor do membro fantasma é uma doença psiquiátrica e não possui em sua fisiopatologia alterações do eixo neural, e do córtex.

Durante a amputação, os nervos periféricos são seccionados levando a uma massiva destruição de tecido neuronal, causando rotura do padrão normal de aferência do nervo para a medula espinhal e a formação de neuromas.

O homúnculo Penfield mostra que a área da face faz fronteira com a área da mão. Muitas vezes, nos amputados de membros superiores, quando se toca no rosto, experienciam simultaneamente uma sensação de toque na cara e ao longo dos dígitos amputados.

A outra hipótese em relação ao mecanismo da dor do membro fantasma, surgiu a partir da pesquisa em perceções ilusórias. Demonstrou-se que além do córtex somatossensorial primário, ambos os lobos parietal e frontal, estão também envolvidos na percepção do fenômeno anormal somatossensorial.