Для пояснення механізмів, що викликають стомлення, було висунуто чимало теорій. Так, теорія виснаження (Шифф) заснована на застосуванні до організму першого закону термодинаміки. Її прихильники вважали причиною стомлення виснаження речовин і енергетичних ресурсів в органі і звідси - зниження його працездатності. Відповідно до теорії задушення (Л.Фервори) причиною стомлення є хиба кисню в тканинах довгостроково або інтенсивно працюючих органів. Прихильники теорії засмічення (Пфлюгер) розглядали стомлення як слідство накопичення в організмі продуктів обміну речовин (молочної кислоти, вуглекислоти й інших метаболітів), що перешкоджають діяльності того або іншого органу. І, нарешті, згідно теорії отруєння (Вейхардт) виникнення стомлення пояснюється накопиченням в організмі особливої токсичної речовини кенотоксина, що отруює м'язові клітини й у такий спосіб викликає функціональні розлади в організмі.

Загальною хибою перерахованих і ряду інших сучасних закордонних теорій є те, що, правильно освітлюючи одну зі сторін стомлення, причину його виникнення вони відносять до процесів, що відбувають лише в м'язах. Факти спростували ці теорії.

Сучасному рівню розвитку фізіології найбільше відповідає теорія, що пояснює причину стомлення людини змінами, що відбуваються в центральній нервовій системі.

Основні теоретичні і практичні питання, пов'язані з проблемою стомлення, розробили основоположники вітчизняної фізіології И. М. Сєченов, И. П. Павлов, И. Е. Введенскнй, А. А. Ухтомский. Їхні ідеї одержали розвиток у дослідженнях радянських фізіологів Г. В. Фольборта, К. X. Кекчеева, М. И. Виноградова, В. В. Розенолатта й ін.

Найбільше втомлюваною ланкою рухового аналізатора є коркові центри. Це пояснюється тим, що в процесі виконання роботи на них лягає величезне навантаження як по формуванню вольових імпульсів до скорочення м'язів, так і по переробці потоків інформації, що надходять від проприорецепторів і хеморецепторів (сигнали про стан напруги м'язів, сухожилій, про прямування в суглобах, а також про хімічні зміни в м'язах). Крім того, коркові структури стомлюються ще і внаслідок змін, що наступають у внутрішньому середовищі організму (накопичення метаболітів і ін.). Зрозуміло, до причин стомлення ставляться і зрушення, що відбуваються в сердцевосудинній, дихальній і інших системах організму й у самих м'язах.

Висока працездатність клітин кори головного мозку обумовлена ритмічною зміною процесів порушення і внутрішнього гальмування. При важкій тривалій м'язовій напрузі рівновага цих нервових процесів порушується. Пояснюючи механізм стомлення коркових клітин, И. П. Павлов висунув ідею про взаємодію, балансі процесів гальмування і відновлення в корі. Розвиваючи ці ідеї, Г. В. Фольборт і його послідовники дали таке пояснення механізму стомлення: у силу раніше зазначених причин відбувається виснаження (витрата) енергетичних ресурсів коркових клітин, їхнього функціонального потенціалу. Цим стимулюється посилення адаптаційних, відбудовних процесів і охоронного гальмування, що покликано захищати клітини від функціональної руйнації.

Баланс взаємодії трьох процесів у корі - виснаження, відновлення й охоронного гальмування - визначає рівень працездатності коркових центрів у кожний момент. Порушення цього балансу веде до зниження працездатності клітин кори, що у свою чергу, призводить до порушення регульованої ними координації процесів, пов'язаних із виконанням роботи.

Стомлення коркових структур виявляється, на думку деяких авторів, у тому, що при інтенсивній або тривалій роботі в першу чергу слабшає внутрішнє гальмування - процес менше стійкий (тому що він більш молодий у філогенетичному плані). Як наслідок цього, порушення починає широко иррадіювати по корі, захоплюючи ті коркові структури, участь яких у виконуваної людиною роботі зайва. А. А. Ухтомский писав: «У міру того як м'язовий мінімум, що потребується для роботи, стомлюється, починає позначатися іррадіація порушення на сусідні, що не йдуть до справи м'язи, а рух фактично стає усе менше ощадливим». Так, зокрема, у тих випадках, коли робота виконується в основному за допомогою пальців руки, в міру стомлення в активний стан приходять м'язи, що не працювали раніше, (наприклад, двоголовий м'яз плеча й ін.), у роботу включається вся рука, а потім і м'язи тулуба.

Якщо людина продовжує виконувати важку фізичну роботу, то усе більше коркових клітин охоплюється охоронним (позамежним) гальмуванням, виключаються з діяльності регульовані ними виконавчі апарати - м'язові елементи. Працездатність людини різко знижується, ще більш порушується координація рухів.

Рухова діскоординація, як показують експериментальні дослідження, виражається в збільшенні варіабільности відтворених прямувань, зниженні їхньої точності, запізнюванні закінчення необхідного прямування, уповільненні темпу, що призводить до помилок, бракові в роботі. Відбувається регрес навичок праці, що виражається в порушенні автоматичності робочих прямувань. Зниження рухового контролю людина намагається компенсувати посиленням контролю зорового, як відомо, менше ефективного. Постійно збільшується концентрація уваги на виконуваній діяльності, що, природно, звужує його сферу: погіршується контакт людини з навколишнім середовищем, його спроможність аналізувати сторонні впливи.

Стомлення може бути загальним, поширеним, тобто охоплювати весь організм у цілому, і локальним, що поширюється на окремі ділянки (руки, ноги, голову), але названі особливості характеризують стан людини, що наступлять і в першому, і в другому випадку.