Mediator kecemasan yang signifikan dalam sistem saraf pusat dianggap sebagai norepinefrin, serotonin, dopamin, dan asam gamma-aminobutirat (GABA). Sistem saraf otonom, terutama sistem saraf simpatis, memediasi sebagian besar gejala. Amigdala memainkan peran penting dalam meredam ketakutan dan kecemasan. Pasien dengan gangguan kecemasan telah ditemukan menunjukkan respons amigdala yang meningkat terhadap isyarat kecemasan. Struktur sistem amigdala dan limbik terhubung ke daerah korteks prefrontal, dan kelainan aktivasi limbik prefrontal dapat dibalik dengan intervensi psikologis atau farmakologis.