Bestraling met rood licht kan lokale bloedvaten verwijden. Wanneer rood licht het huidweefsel binnendringt, kan dit ervoor zorgen dat de vasculaire endotheelcellen stikstofmonoxide (NO) vrijgeven. NO is een belangrijke vaatverwijdende factor, die de gladde spieren van bloedvaten kan ontspannen en zo de binnendiameter van bloedvaten kan vergroten. Bij sommige dierproeven kan bijvoorbeeld na roodlichttherapie de diameter van lokale kleine slagaders met ongeveer 15% - 20% worden vergroot.
Dit vaatverwijdende effect kan de bloedstroom verhogen en de bloedperfusie van lokale weefsels verbeteren. Bij pijn veroorzaakt door een slechte bloedcirculatie, zoals de pijn in de vingers van patiënten met de ziekte van Raynaud (lokale ischemische pijn als gevolg van vasospasme), kan roodlichttherapie de symptomen effectief verlichten.
Rood licht kan het microcirculatiesysteem verbeteren. Het kan de autonome beweging van microvaatjes verbeteren en de bloedstroomsnelheid van microvaatjes versnellen. Onder normale omstandigheden is de bloedstroomsnelheid in de microcirculatie relatief langzaam en vatbaar voor stasis. Na roodlichttherapie wordt de aggregatie van rode bloedcellen verminderd en worden de hemorheologische eigenschappen verbeterd, waardoor een effectievere afgifte van zuurstof en voedingsstoffen aan weefselcellen mogelijk wordt. Bij patiënten met diabetische perifere neuropathie leidt de microcirculatiestoornis bijvoorbeeld tot zenuwischemie en hypoxie en veroorzaakt daardoor pijn. Roodlichttherapie verlicht de pijn door de microcirculatie te verbeteren en de ischemische en hypoxische toestand van de zenuwen te verminderen.
Rood licht kan de functies van ontstekingscellen reguleren. Tijdens het ontstekingsproces zullen cellen een verscheidenheid aan ontstekingsmediatoren vrijgeven, zoals prostaglandine E2 (PGE2), interleukine-1 (IL-1) en tumornecrosefactor.α (TNF-α). Deze ontstekingsmediatoren stimuleren de zenuwuiteinden en leiden tot pijn. Na bestraling met rood licht kan het de afgifte van deze ontstekingsmediatoren door ontstekingscellen (zoals macrofagen, neutrofielen, enz.) remmen. In het synoviale weefsel van de gewrichten van patiënten met artritis kan roodlichttherapie bijvoorbeeld de vrijkomende hoeveelheid PGE2 met ongeveer 30% - 50% verminderen.
Rood licht kan de opname van exsudaat versnellen. Ontsteking zal ervoor zorgen dat exsudaten in de weefselruimten verschijnen, waardoor de omliggende weefsels en zenuwen worden samengedrukt en pijn ontstaat. Rood licht kan het celmetabolisme bevorderen, de activiteit van fagocyten in lokale weefsels verbeteren en de fagocytose en klaring van exsudaten versnellen. Bij ontstekingen van zacht weefsel kan therapie met rood licht bijvoorbeeld de absorptietijd van exsudaat met ongeveer 2 tot 3 dagen verkorten, waardoor zwelling en pijn worden verminderd.
Rood licht kan rechtstreeks op de zenuwuiteinden inwerken. Bestraling met rood licht met lage intensiteit kan de geleiding van zenuwimpulsen van nociceptoren remmen. Vanuit het perspectief van de neurofysiologie is dit gebaseerd op de ‘poortcontroletheorie’. Rood licht kan niet-pijnlijke sensorische afferente vezels stimuleren, de "pijnpoort" in de dorsale hoorn van het ruggenmerg sluiten en de verdere overdracht van pijnsignalen naar het centrale zenuwstelsel voorkomen. Bij patiënten met postherpetische neuralgie kan roodlichttherapie bijvoorbeeld de prikkelbaarheid van de beschadigde zenuwen verminderen en de overdracht van pijnsignalen verminderen.
Roodlichttherapie kan ook de afgifte van endogene opioïde peptiden bevorderen. Het menselijk lichaam kan zelf opioïde peptidestoffen produceren, zoals endorfines en enkefalines, en deze stoffen hebben een sterk analgetisch effect. Na bestraling met rood licht kan het het neuro-endocriene systeem reguleren en het lichaam stimuleren om endogene opioïde peptiden vrij te geven. In sommige klinische observaties waren de niveaus van endorfine bij patiënten die roodlichttherapie kregen verhoogd, en werd de pijngrens dienovereenkomstig verhoogd, waardoor het pijngevoel verminderde.
