早在上世纪70年代，韩济生等人就发现经过针刺后的供体兔子脑脊液灌流到受体兔子中，能在受体兔子体内起到很好的镇痛作用，强烈提示化学介质在针刺镇痛中起到非常重要的作用。几十年来，众多研究者在人体及动物实验中都证明了针刺镇痛是许多化学递质及调质参与的复杂的生理过程。这些神经递质及调质主要包括:
一、阿片肽
众所周知，在中枢及外周神经系统存在β-内啡肽、脑啡肽、强啡肽以及μ、δ及κ型阿片受体,这些阿片肽类物质及其受体对镇痛起着十分重要的作用，而内源性阿片肽的发现进一步证明其在针刺镇痛中可能起到了重要的作用。1977年，Mayer等人发现，阿片受体特异性的拮抗剂能够部分逆转电针刺激治疗牙髓痛的效果，经过针刺镇痛治疗的脑瘤以及慢性痛病人，他们的脑脊液中可以发现类β-内啡肽物质的增加。纳洛酮能在猫及猴中减弱针刺的镇痛作用，此外，在阿片受体缺失的CXBK小鼠中，针刺镇痛效果不是很明显。而当使用D-氨基酸、D-苯基丙氨酸、杆菌肽等肽酶抑制剂保护阿片肽不受分解时，针刺的镇痛效果可以增强。鉴于以上结果，阿片类物质在针刺镇痛中的作用得到了广泛的研究。
1 外周阿片肽
众多证据充分证明阿片物质能够调节外周炎性痛：局部注射阿片拮抗剂能够消除针刺对CFA致大鼠炎性痛的镇痛作用，而局部注射β-内啡肽抗体或促肾上腺皮质激素释放因子也可以降低针刺镇痛效果。以上结果强烈提示在针刺镇痛过程中外周阿片类物质起了调节炎性疼痛的作用。
2 中枢阿片肽
众多实验证明不同频率的电针刺激会引起不同类别阿片物质的释放。大鼠脊髓灌流液放射免疫检验结果显示低频率（约2Hz）刺激时脑啡肽释放增加，而高频率（约100Hz）刺激时强啡肽释放增加，这一结果与人体实验结果也相一致。同时，不同频率的电针刺激也会激活不同类别的阿片受体：生理状态下，低频电针刺激激活μ-、δ-受体，高频刺激激活κ-受体；而病理性疼痛中，电针刺激仅能激活μ-、δ-受体，不能激活κ-受体。大鼠实验还证明低频电针刺激激活μ-、δ-受体能够获得比高频电针刺激更强烈更持久的镇痛作用。而不同频率的针刺镇痛作用也可能是由表达不同的阿片受体的大脑核团介导的，例如，大鼠弓状核毁损可以清除低频电针刺激的镇痛作用，对高频刺激的作用没有影响，而臂旁核毁损时可以影响高频电针刺激效果，对低频电针刺激效果不受影响。此外，Zhu等人2004年实验结果证明到丘脑中央下核显微注射纳洛酮可以阻断高频电针刺激镇痛作用，而顶盖前区前核纳洛酮显微注射则能阻断低频电针刺激的镇痛作用。
前人的实验研究已经证明，众多脑区及脑核团都参与了针刺镇痛的过程，比如丘脑中央下核（Sm）、尾状核（Cd）、隔区（Sp）、伏核（Ac）、弓状核（Arc）、中脑导水管灰质（PAG）及中缝大核（NRM）都表达阿片肽及阿片受体。PAG是抑制疼痛的重要脑区，该区域内含有高密度的阿片受体，在该脑区通过纳洛酮或者抗体阻断阿片受体能够显著减轻针刺镇痛效果；相反对，阻断内源性阿片肽降解的肽酶抑制剂能够有效的提高并延长针刺镇痛效果。类似的，阻断视叶前区、松果体、隔区、尾状核、杏仁核及尾状核的阿片受体同样能够清除针刺镇痛效果。He等人在实验中证明电针刺激后兔子的痛阈增高，且尾状核区内阿片物质增多，同时μ-阿片受体阻断剂能够阻断电针的镇痛效果，δ-及κ-受体阻断剂则无影响。弓状核中也有大量的β-内啡肽类神经元，弓状核毁损后针刺镇痛效果完全消失。丘脑视高密度表达阿片受体，针刺镇痛的效果可以被该区域显微注射纳洛酮阻断，而丘脑视前核属于边缘系统，因此人们猜测电针刺激能够激活丘脑视前核神经元上的阿片受体从而起到调节痛觉情感的作用。
二、 缩胆囊素肽（CCK-8）
CCK-8广泛表达于脊髓及各个脑区，参与多种生理机能，当CCK-8与其受体结合时能够有效的抑制阿片类物质的活性。目前，已有多个实验证明CCK-8参与了针刺镇痛的过程：Ko等人2006年大鼠实验中发现高频电针刺激可以使其丘脑CCK受体mRNA表达水平升高；Huang等人实验发现鞘内注射CCK-8能够抑制电针镇痛效果，而注射其受体拮抗剂则能够加强镇痛效果；Zhou等人早在1993年的实验中就发现电针镇痛不敏感的大鼠脊髓内有大量的CCK-8释放，而电针镇痛效果明显的大鼠脊髓内仅有少量的CCK-8释放，如果在电针镇痛不敏感大鼠侧脑室注射CCK mRNA的反义寡核苷酸，其脑内CCK-8含量降低，大鼠可由电针及吗啡镇痛不敏感者转变为敏感者。此外，Lee等人通过大鼠甩尾实验证明对针刺足三里穴镇痛效果不明显的大鼠体内CCK-A受体mRNA表达的水平明显高于敏感者。由此可见，CCK释放的量及其受体表达的密度与个体对针刺镇痛的敏感性密切相关。
三、 5-羟色胺（5-HT）
中枢神经系统大量表达的5-HT及其受体，它们与调节伤害性感受密切相关。针刺镇痛能够脊髓及中缝大核中5-HT及其代谢产物表达增加，而在多种动物实验中毁损中缝大核或使用5,6-双羟色胺（5,6-DHT）耗竭脑内5-HT时，则发现针刺镇痛效果明显降低。5-HT合成抑制剂——2-氯苯丙氨酸，也能够抑制针刺镇痛效果，而使用单胺氧化酶抑制剂优降宁降解5-HT则能够增强针刺镇痛效果。5-HT受体阻断剂及受体拮抗剂几乎能够使针刺镇痛的作用完全消失。这些结果均显示针刺过程中可能同时有中缝大核内使5-HT升高及降低通路的参与从而调节针刺镇痛的效果。
此外，近年来还有研究显示，神经系统内有多种5-HT受体，5-HT2A及5-HT3A受体主要表达于初级伤害性感受传入神经纤维末端，而5-HT1A 及 5-HT1B受体主要表达于接受了这些神经纤维末端的脊髓背角神经元。实验证明，针刺可通过调节5-HT与5-HT1A及5HT3受体结合从而影响P物质（SP）的释放而起到镇痛作用。
四、 去甲肾上腺素（NA）
去甲肾上腺素主要存在于脑干A1, A2, A4-7核团中的去甲肾上腺素能神经元上，这类神经元的轴突可通过腹侧束或背侧束双向投射到前脑，也可以通过背外侧细束投射到脊髓调节痛觉。一系列实验证明，电针刺激镇痛时能引起大鼠脑内去甲肾上腺素类物质的减少。而进一步实验证明NA在脊髓及脊髓上水平可能有不同的作用，当脑室内注射NA前体DOPS时，针刺镇痛作用被抑制，而鞘内给DOPS时，针刺镇痛作用反而增强，此外，脊髓内表达的α2-肾上腺素能受体被其拮抗剂育亨宾拮抗时，针刺镇痛的效果被抑制。综上所述，NA在脑内起到抑制针刺镇痛效果，而在脊髓内促进镇痛效果。
五、 谷氨酸及其受体
在伤害性感受传入神经纤维末端含有大量的兴奋性氨基酸，如谷氨酸，天冬氨酸等，而脊髓背角表面神经元内也有大量的NMDA，AMPA/KA及谷氨酸代谢型受体，他们在生理条件下传递伤害性信息以及病理状况下中枢痛觉增敏中都起到重要作用。众多实验结果证明阻断NMDA及AMPA/KA受体能够增强针刺镇痛效果。大鼠脊神经结扎实验发现结扎后脊髓内NR1型NMDA受体敏感性增强，而针刺能够使其敏感性下降，同样的，在大鼠炎性痛模型中，针刺能够降低脊髓内NR1及NR2型谷氨酸受体表达。
药理学实验也证明阻断NMDA受体能够大大提高针刺镇痛的效果。低剂量的NMDA受体拮抗剂氯胺酮与针刺同时使用的镇痛效果远远高于单独使用针刺时的镇痛效果，而谷氨酸受体拮抗剂与针刺同时使用也同样能够大大提高镇痛效率。由此可见，NMDA及AMPA/KA受体拮抗剂与针刺同时使用能够对镇痛起到协同作用。
六、 γ-氨基丁酸（GABA）
GABA是中枢神经系统重要的抑制性神经递质，参与多种生理及病理过程。它主要包括三种受体亚型：GABAa，BABAb及GABAc,目前认为GABAa和BABAb型受体参与痛觉的调控，但它们在针刺镇痛过程中的作用目前还不是很清楚。
七、 P物质（SP）
除了以上神经递质，SP也是一种重要的痛觉信号分子，很可能是针刺镇痛的靶点。多种伤害性刺激都能够提高脊髓内P物质的释放，Duan等人针刺足三里镇痛则能够抑制脊髓内P物质的释放，此外，针刺治疗牙髓痛能够降低三叉神经核内的P物质。也有人认为针刺镇痛的过程与SP没有直接关系，如Zhu等人实验证明低强度电针刺激双侧环跳穴有明显的镇痛效果，却没有影响脊髓内的P物质的水平。在此基础上人们提出了这样的猜想：痛觉本身能够激活内源性阿片肽系统，从而抑制SP释放，而针刺则加强了这一过程。
八、其他生物活性物质
其他一些物质也可能参与了针刺镇痛的过程，如血管紧张素II，在高频电针刺激时能促进脊髓血管紧张素II释放，从而阻碍针刺镇痛作用；针刺镇痛时脊髓及背根神经节中生长激素抑制素表达增高；中央导水管内显微注射神经降压素能够增强针刺镇痛的效果，而多巴胺1型受体的激活能够抑制针刺镇痛的效果。
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