Pessoas que perderam algum membro de seu corpo sentem o membro fantasma. Trata-se de sensações de dor no local onde o membro perdido se encontrava. Tais sensações ocorrem porque o cérebro detecta estímulos sensoriais por meio de seus neurônios distribuídos por todo o organismo. Estes, por sua vez, provocam atividades elétricas contínuas determinando ao cérebro as partes do corpo. Dessa forma, mesmo perdendo algum membro do corpo, os neurônios continuam a transmitir tais atividades elétricas.
Alguns estudiosos afirmam que a síndrome do membro fantasma refere-se à dor neuropática, ou seja, dor sem causa aparente provocada pelo mau funcionamento do sistema nervoso. A dor sentida normalmente é intensa e tende a se intensificar com o decorrer do tempo.
Há inúmeras controvérsias a respeito dos mecanismos neurofisiológicos que induzem tal fenômeno, porém a explicação mais aceita é de Pattrick Wall, neurocientista britânico que diz existirem alterações provocadas pela cicatriz nas fibras nervosas no coto do membro amputado e, ainda, a falta de estímulos periféricos seriam as causas do fenômeno. Não há nenhum tipo de tratamento para o fenômeno, pois não se sabe com precisão as suas causas. Conclui-se apenas que a síndrome do membro fantasma é baseada em fatores fisiológicos e psíquicos.
Existem ainda outras situações em que a síndrome do membro fantasma se manifesta em indivíduos, como lesões no plexo braquial (conjunto de nervos que se originam na medula espinhal), tetraplegia, retirada da mama, apêndice fantasma entre outras.