在傷口痊愈後的很長一段時間內，80％以上的截肢者仍然可以感覺到失去的肢體。這種感覺可能在剛截肢之後出現，也可能幾個月甚至幾年之後才出現。1866年，美國神經學家韋爾 米切爾經過對內戰傷員的觀察，第一次將這種感覺稱為“幻肢”。
幻肢常常表現為刺痛感，並幻覺到與截肢前的胳膊、手或腿形狀類似的肢體。殘肢被觸摸的時候，截肢者經常感到失去的手臂或腿正在受到壓力。他們在走路、坐下或伸展四肢的時候會覺得肢體還在正常運動。剛開始，幻覺中肢體的大小和形狀與正常肢體一樣，截肢者甚至想伸出幻肢拿東西，或者試圖用虛幻的腿站起來。但是，一些體驗過這種感覺的人說，幻肢的形狀會隨著時間的推移而發生變化，感覺越來越模糊，有時完全消失，隻剩下半截手腳在半空中搖晃。而另一些人說感到幻肢逐漸縮進殘肢裏，直到完全縮進去。
許多幻肢感發生在截肢斷口處受傷之後。因此，一些生來就缺少肢體和從未有過肢體感的人在斷口受傷的時候也可能感覺到幻肢。一名18歲的姑娘就是一例。她生來就沒有左前臂，某一天她騎馬的時候從馬背上摔下來，左臂前端著地。此後她產生了幻覺，感到前臂、手掌和手指都還在。她說這種感覺令人愉快而且沒有痛苦，持續了一年之後才消失。
另一個病例是一名15歲的女孩，她因癌症失去一條腿，之後她詳細地記錄下幻肢的體驗。手術剛結束的第一天，她在原來腳趾的地方感到癢和刺痛。第二天，給另一隻腳按摩的時候，那種感覺減輕了，幻覺中的腳好像睡著了。每次幻肢的感覺都能持續10分鍾。十天之後幻肢感開始減輕，並在一個月之內完全消失。然而有些人的幻肢感能持續好幾年。
是什麼導致了幻肢？有研究顯示，我們對肢體的知覺是“硬連線”到大腦中的。肢體的感覺與大腦網絡具有對應關係，人們往往從小就把對肢體的印象記在大腦裏，肢體被截掉或者失去功能的時候這種印象還繼續存在著。幻覺過一段時間後就會消失，因為患者糾正了對肢體的印象。但是如我們所見，一些生來就缺少肢體或4歲之前就截肢的人仍然會產生幻肢感。因為他們對完整身體的印象沒來得及印在大腦中，所以幻肢感一般隻發生在殘肢端部受傷的時候。
倫敦大學學院的科學家最近對這一現象進行了實驗，並在實驗中對受試者的大腦活動進行監測。受試者把右手藏在桌子下麵，一隻橡膠假手擺在他們麵前，看上去很像是身體的一部分。然後實驗者用筆杆同時敲擊假手和藏起來的真手，並用核磁共振成像儀器掃描受試者的大腦。僅僅11秒之後，受試者就開始將假手看做是自己的，而且稍後讓他們指出右手在哪兒，多數人指向假手而不是真手，這說明大腦已經做出了調整。
科學家們發現，大腦中一個特殊的區域——前運動皮質，能通過視覺、觸覺和本體感受（位置感）3種知覺識別身體。但是，當得到的各種信息不一致的時候，大腦更相信視覺信息，因為它是3種知覺中最強的一種。研究主任亨利克 埃森說：“此項研究表明，大腦通過比較對外界的不同知覺來分辨自己的身體。可以說，身體本身就是大腦形成的幻想。”
嚴重的幻肢表現為劇痛、灼痛、痙攣痛或刺痛等。一般認為，幻肢痛由神經末梢受損引起。這些受損神經繼續扭曲地再生長，引起殘肢異常的神經痛，有時也會改變斷肢神經與脊髓神經元的連接方式。有一種理論說，斷肢失去的感覺使大腦的神經活動發生改變，有實驗結果證實了這種說法。幻肢痛的治療方法之一是反複觸摸斷口皮膚，增強那裏的感覺和判斷力。事實證明此法十分有效，這可能是因為觸感代替了斷肢以前傳遞到大腦中的感覺。
雖然斷肢痛屬於物理疾病，但是在1996年，加利福尼亞大學的維拉亞諾 羅摩占羅博士利用心理測試進行了一係列的實驗。他讓斷臂的幻肢痛患者把手臂放進一個鏡盒，這樣他們就能看到殘肢在鏡子中的映像，看起來就像是截下去的斷肢又回來了。然後再把完好的那隻手臂放進鏡盒，一邊運動手臂一邊假想那就是斷肢，此時疼痛減輕了。10個受試患者中有6個立即感到幻肢在動，少數人感到幻肢變得靈活。有一名患者甚至通過改變大腦對身體的印象而徹底消除了幻肢。
在另一個實驗中，患者想象失去的手臂正在隨著麵前屏幕上的手臂一起運動。這次實驗也獲得了成功，並改變了治療幻肢痛的側重點，即不再注重受損的肢體本身，而是關注產生痛覺的中心——大腦。
幻肢引起了諸多不便和痛苦，但它也有一個好處：由於患者對斷肢的感覺增強了，所以他們可以通過幻肢感更快地學會了使用假肢。