まず、卵巣のなかで、卵子を包む卵胞（らんぽう）が成長します。この卵胞から卵胞ホルモンであるエストロゲンが分泌され、排卵の準備を整えます。排卵が起こると、卵子は卵管を通って、子宮へと向かいます。排卵を終えた卵胞は黄体（おうたい）へ変化し、黄体ホルモンであるプロゲステロンを分泌します。
子宮では、これらのホルモンのはたらきによって、子宮内膜が厚くなり、妊娠の準備を整えます。妊娠が成立しなかったときは、エストロゲンとプロゲステロンが減少し、厚くなった子宮内膜がはがれ落ち、血液とともに体外に排出されます。この周期が、およそ25日～38日ごとに起こります。

生理のとき、はがれおちた子宮内膜を排出するために、子宮の収縮を促すプロスタグランジンという物質が産生されます。
このプロスタグランジンの産生量が多くなり過ぎると、収縮が強くなり、子宮の周囲の充血やうっ血などに伴って下腹部の痛みを感じます。これが生理痛です。
血行不良や体質・ストレスなどのさまざまな要因により痛みが悪化することもあります。