Otonom sinir sistemi, iç organların fonksiyonlarını düzenler, kalp atım hızını, kan basıncını, sindirimi, solunumu, pupiller reaktiviteyi, terlemeyi, idrara çıkmayı ve cinsel uyarılmayı da kontrol eder. Otonom sinir sistemi vücuttaki hücrelerin, dokuların ve organların homeostazını sağlamaya ve iç/dış zorlayıcı etmenlerin sebep olduğu hasara karşı koymaya çalışır. Otonom sinir sisteminin üç ana dalı vardır: sempatik sinir sistemi, parasempatik sinir sistemi ve enterik sinir sistemi. Genel olarak, sempatik sinir sistemi ve parasempatik sinir sisteminin birbirine zıt etkileri bulunmaktadır. Ağrı matrisine ait her bölge otonom sinir sistemi ile etkileşim içerisindedir. İnen yolakları ağrıyı düzenler, aminerjik nörotransmitterlerin katkısıyla sistem üzerine regülatör bir etki yaratır. Hipotalamus, amigdala ve periakuaduktal gri cevher bu düzenleyici sistemin ana yapılarıdır. Otonom sinir sisteminin işlev bozukluğu ağrılı hastalarında gözlenebilmektedir. Sempatik sinir sistemi, kronik ağrıyı indükleyebilir, kolaylaştırabilir veya güçlendirebilir. Hasarlı duyu sinirlerinin katekolaminlere karşı artmış hassasiyeti, primer aferent nosiseptörler ve hiperaljezik cilt üzerinde alfa-1 adrenoreseptörlerinin ekspresyonunda artış, Aβ mekanoreseptörleri aracılı merkezi sensitizasyon, dorsal kök ganglionlarında artmış deşarj ve sempatik filizlenme, santral sensitizasyon ve ağrı modülasyonunun disfonksiyonu bu sürece katkı sağlayan mekanizmalar olarak sayılabilir. Bu derlemede otonom sinir sistemi ve ağrının, anatomik, fizyolojik, patolojik yönleri ve otonomik fonksiyonları değerlendirmek için kullanılabilecek laboratuvar testleri tartışılacaktır. Otonom sinir sisteminin migren, trigeminal otonomik sefaljiler, trigeminal nevralji, periferik sinir yaralanmaları, ince lif nöropatisi, miyofasiyal ağrı sendromu, fibromiyalji, inflamatuvar eklem hastalıkları, viseral ağrı, fantom ağrısı, kompleks bölgesel ağrı sendromu ve spinal kord hasarındaki patofizyolojik rolü tartışılacaktır.