Đau đớn ở động vật là một trải nghiệm cảm giác sợ hãi gây ra bởi chấn thương thực thể hoặc tiềm năng dẫn đến sự vận động bảo vệ và các phản xạ không điều kiện, từ đó học cách tránh và có thể thay đổi hành vi cụ thể mang tính loài, bao gồm cả hành vi cộng đồng. Đây là khái niệm do Zimmerman đưa ra. Động vật do không có ngôn ngữ như con người nên không thể nói lên cảm xúc của mình và chúng ta cũng không biết chúng có ý thức và cảm giác đau hay không, đó vẫn là vấn đề mà các nhà khoa học đang còn tranh luận. Đau được Hiệp hội nghiên cứu đau quốc tế định nghĩa "là cảm giác khó chịu và là trải nghiệm cảm xúc xuất hiện cùng với tổn thương mô thực thể hay tiềm tàng, hoặc được mô tả giống như có tổn thương." Tuy nhiên, đối với các loài động vật, điều này rất khó, thậm chí chúng ta còn không biết liệu các loài động vật có xuất hiện một trải nghiệm cảm xúc hay không. Chính vì vậy, khái niệm này không được áp dụng ở động vật. Các phương pháp lượng giá đau tiêu chuẩn ở người hiện nay đều dựa vào lời khai của người đó, bởi vì chỉ có họ mới có thể biết chính xác tính chất và cường độ đau, cũng như mức độ của cảm giác đau. Đau bao gồm hai thành phần là đau thực thể (nociception) và đau cảm giác (suffering). Đau thực thể giúp cơ thể phát hiện các kích thích có hại và đưa ra những hành động phản xạ để tránh xa hoặc loại bỏ nguồn kích thích đó. Khái niệm về đau thực thể không ngụ ý tới 'cảm giác' chủ quan - mà là một hành động phản xạ, ví dụ như cách mà con người nhanh chóng rời ngón tay khỏi cái đĩa nóng, mặc dù không thực sự cảm thấy đau. Khả năng này có thể thấy ở tất cả các loài động vật bậc cao. Đau thực thể có thể được quan sát bằng các kỹ thuật hình ảnh hiện đại thông qua các đáp ứng sinh lý và hành vi. Thành phần thứ hai của đau được gọi là 'sự khó chịu' (unpleasantness) hay đau cảm giác (suffering), là trạng thái tâm lý ám ảnh, tiêu cực, tức là phần thuộc về nội tại, cảm xúc của quá trình đau thực thể. Do đó, đau là một trải nghiệm mang tính cảm xúc và riêng biệt. Để giải quyết vấn đề đánh giá khả năng biểu hiện trạng thái cảm xúc đau của các loài, chúng ta dùng đến phép ‘đối chứng tương tự’ (argument-by-analogy). Phương pháp này dựa trên nguyên tắc nếu một con vật đáp ứng với một kích thích theo một cách tương tự như với chính bản thân chúng ta, thì có khả năng chúng đã có một trải nghiệm tương tự như chúng ta. Có thể lập luận rằng khi chúng ta kẹp một cái kẹp vào ngón tay một con tinh tinh thì nó sẽ nhanh chóng rút tay lại, sử dụng phép đối chứng tương tự và suy ra rằng nó cũng thấy đau giống như chúng ta. Nếu nhất trí điều đó, chúng ta cũng có thể kết luận một con gián cũng có trải nghiệm tương tự khi nó quằn quại sau khi nó cũng bị kẹp như vậy. Tương tự như con người, khi dùng sự lựa chọn thức ăn, chuột và gà với các triệu chứng lâm sàng của đau sẽ ăn nhiều thức ăn có chứa thuốc giảm đau hơn so với các con không đau. Ngoài ra, việc tiêu thụ thuốc giảm đau carprofen ở một con gà què chân đã được khẳng định là có tương quan với mức độ nghiêm trọng của tổn thương cho đến khi dáng đi của nó được cải thiện. Sự hạn chế của phương pháp đối chứng tương tự là các phản ứng sinh lý thì không thể xác định cũng như được thúc đẩy bởi trạng thái tinh thần, và cách tiếp cận này bị chỉ trích là một sự diễn giải theo thuyết nhân cách hóa (anthropomorphism). Ví dụ, một sinh vật đơn bào như amip cũng quằn quại sau khi được tiếp xúc với các kích thích độc hại mà không phải là do đau. Ý kiến cho rằng động vật không thể có trải nghiệm đau hoặc cảm giác đau như người được nhà triết học Pháp thế kỷ 17, René Descartes đưa ra, và lập luận rằng động vật không có ý thức. Mãi đến những năm 1980, các nhà nghiên cứu vẫn không chắc chắn liệu động vật có trải nghiệm đau hay không, các bác sĩ thú y được đào tạo ở Mỹ trước năm 1989 đã được học bỏ qua vấn đề đau ở động vật. Khi tiếp xúc với các nhà khoa học và các bác sĩ thú y khác, Bernard Rollin thường xuyên yêu cầu "chứng minh" rằng động vật có ý thức, và đã cung cấp những "căn cứ có thể chấp nhận được về mặt khoa học" để xác nhận động vật có cảm giác đau. Những đánh giá khoa học hiện nay cho thấy khả năng một số loài động vật ít nhất cũng có những suy nghĩ và cảm giác ý thức đơn giản, tuy nhiên một số tác giả vẫn tiếp tục đặt câu hỏi làm thế nào để xác định được trạng thái tâm lý ở động vật. Mặc dù nhiều loài động vật cũng có cơ chế đáp ứng đau tương tự như của con người, như cũng có những dây thần kinh và những khu vực tương tự ở não bộ liên quan đến xử lý đau, cũng có các biểu hiện hành vi đáp ứng đau, nhưng điều rất khó là làm thế nào để đánh giá động vật thực sự có trải nghiệm đau hay không. Khả năng trải nghiệm đau ở một loài động vật kể cả con người không thể được xác định trực tiếp nhưng nó có thể được ghi nhận thông qua các phản ứng sinh lý và hành vi tương tự. Nhiều loài động vật cũng thể hiện thay đổi hành vi và sinh lý phức tạp cho thấy khả năng về trải nghiệm đau như: chúng ăn ít hơn, hành vi thông thường bị thay đổi, hành vi cộng đồng bị ức chế, chúng có thể có các hành vi bất thường như phát tiếng kêu cứu nạn đặc trưng, ​​thay đổi hô hấp và tim mạch, cũng như biểu hiện viêm và giải phóng hóc môn căng thẳng. Elwood đã đưa ra một số tiêu chí cho biết khả năng một loài có thể có cảm thấy đau đớn bao gồm: Cá đã được chứng minh là có tế bào thần kinh cảm giác rất nhạy cảm với các kích thích gây hại và đồng nhất về sinh lý giống với các thụ thể ở người. Các đáp ứng hành vi và sinh lý với một kích thích đau xuất hiện tương tự các động vật lưỡng cư, chim và động vật có vú, và khi được cho uống một loại thuốc giảm đau thì những phản ứng này cũng giảm. Những người ủng hộ bảo vệ động vật đã dấy lên lo ngại về sự đau đớn có thể có ở cá khi bị câu. Dựa trên kết quả của những nghiên cứu gần đây, một số nước như Đức, đã cấm các loại ngư cụ chuyên biệt, và Hội bảo vệ động vật Hoàng gia Anh (RSPCA) giờ đây sẽ chính thức khởi kiện những người nào tàn nhẫn với cá. Dolorimetry (dolor: Latin: đau, đau buồn) là phương pháp lượng giá đáp ứng đau ở động vật, bao gồm cả con người. Y học thường xuyên sử dụng phương pháp này để chẩn đoán, lượng giá và nghiên cứu khoa học về đau cũng như trong thử nghiệm về hiệu quả của thuốc giảm đau. Kỹ thuật lượng giá đau ở động vật không phải người bao gồm nghiệm pháp kiểm tra áp lực chân, nghiệm pháp búng đuôi và nghiệm pháp chiếc đĩa nóng. Động vật được sử dụng trong phòng thí nghiệm với nhiều lý do, trong đó có thể liên quan đến đau đớn, đau khổ hay bị hành hạ. Mức độ đau đớn và đau khổ mà thử nghiệm gây ra cho động vật thí nghiệm là chủ đề của nhiều cuộc tranh luận. Marian Stamp Dawkins định nghĩa "đau khổ" ở động vật thí nghiệm như trải nghiệm của chúng trong "một phạm vi rộng các trạng thái khó chịu chủ quan (tâm thần) quá mức." Bộ nông nghiệp Hoa Kỳ định nghĩa một "thủ thuật gây đau" trong nghiên cứu động vật là thủ thuật trong đó "nếu được áp dụng trên người thì sẽ gây ra đau nhiều hơn so với cơn đau nhẹ hay đau thoảng qua, hoặc gây mất sức trong phạm vi có thể chấp nhận được." Một số nhà phê bình cho rằng, có nghịch lý là trong thời đại nâng cao nhận thức về bảo vệ động vật, thì chính các nhà nghiên cứu lại có khuynh hướng phủ nhận trải nghiệm đau của động vật đơn giản chỉ vì họ không muốn thừa nhận chính mình là người gây ra điều đó. Nghiên cứu động vật có tiềm năng gây ra đau được quy định bởi Luật bảo vệ động vật 1966 ở Mỹ, và nghiên cứu có khả năng gây "đau, đau khổ, kiệt sức hay tổn thương lâu dài" được quy định bởi Luật (thủ thuật khoa học) động vật 1986 ở Anh.