O mecanismo da dor na dismenorreia tem como base a liberação de grande quantidade de prostaglandinas durante a descamação endometrial na menstruação. A ação dessas substâncias promove aumento da atividade do músculo liso uterino, aumentando a frequência e a intensidade das contrações do miométrio, levando à redução do fluxo sanguíneo no útero e à hipóxia tecidual. A hipóxia tecidual estimula terminações nervosas, induzindo a dor. O esquema abaixo demonstra a fisiopatologia nos casos de dismenorreia primária e secundária. Na dismenorreia secundária, a dor está associada a mecanismos específicos de cada doença de base:

Há uma influência dos ácidos graxos no controle dos processos inflamatórios. O equilíbrio entre o ácido linolénico (anti-inflamatório) e o ácido linoleico (inflamatório) é importante para manter uma resposta inflamatória adequada. Nas mulheres com dismenorreia há um desequilíbrio para um estado pró-infamatório, havendo aumento da síntese de prostaglandinas, tromboxanos e leucotrienos, que são substâncias envolvidas em processos inflamatórios do organismo (icosanoides).

Esses icosanoides têm como maior precursor o ácido araquidônico e são sintetizados por ação de enzimas como a cicloxigenase. Essas substâncias agem como substrato para síntese de prostaglandinas, principalmente a F2 alfa e a COX. Por esse motivo, o uso de medicamentos que inibam a síntese de prostaglandinas têm efeito no tratamento da dismenorreia.

Uma outra teoria associa uma produção aumentada de vasopressina em mulheres com dismenorreia que levaria a contrações frequentes e dolorosas, desencadeando a dor. Esse efeito parece ser potencializado pela progesterona, por isso os sintomas se iniciam após a ocorrência de ciclos ovulatórios.