Nocyceptory należą do pierwotnych neuronów czuciowych. Ciała neuronów unerwiających tułów i kończyny znajdują się przede wszystkim w zwojach korzeni grzbietowych nerwów rdzeniowych, natomiast neurony odpowiedzialne za nocycepcję w znacznej części struktur głowy mają ciała między innymi w zwoju trójdzielnym.
Neurony te mają budowę pseudojednobiegunową. Z ciała komórki odchodzi pojedynczy wypustek, który rozdziela się na gałąź obwodową i centralną. Gałąź obwodowa dociera do unerwianej tkanki i tworzy zakończenia receptorowe, natomiast gałąź centralna wchodzi do rdzenia kręgowego albo pnia mózgu, gdzie przekazuje informacje kolejnym neuronom.
W skórze zakończenia wielu nocyceptorów mają postać wolnych zakończeń nerwowych i mogą sięgać do powierzchownych warstw skóry. Znajdują się w sąsiedztwie między innymi keratynocytów, komórek tucznych i komórek układu odpornościowego, z którymi mogą tworzyć funkcjonalne układy sygnalizacyjne.
Nocyceptory unerwiają nie tylko skórę, lecz także mięśnie, ścięgna, stawy, kości, naczynia krwionośne oraz liczne narządy wewnętrzne.