Consiste em um grupo de estruturas agrupadas ao redor do tálamo. Essas estruturas incluem o hipotálamo; o hipocampo (grego, cavalo marinho); a amígdala (latim, amêndoa); e o feixe do cíngulo conectando o hipocampo com o córtex frontal. Há evidências de que as estruturas límbicas controlam as respostas motivacionais ou comportamentais à dor juntamente com a resposta emocional a ela ou o que pode ser chamado de sua dimensão afetiva. Em relação a esta última, é a extensão à qual o sistema límbico se torna ativada, em resposta a qualquer determinado estímulo nocivo que determina o quanto um indivíduo em particular sofre daquilo, ou seja, o grau que aquilo machuca aquela pessoa. É a atividade no sistema límbico que governa a tolerância à dor do individuo.
