นักวิทยาศาสตร์ได้โน้มน้าวความสัมพันธ์เชิงบวกระหว่างการออกกำลังกายและอารมณ์มานานหลายทศวรรษ การออกกำลังกายดูเหมือนจะส่งผลต่ออารมณ์ในหลาย ๆ วิธีส่วนใหญ่เกิดจากการปล่อยสารเคมีที่เรียกว่าสารสื่อประสาทซึ่งช่วยบรรเทาความเจ็บปวดและช่วยยกระดับจิตใจ การออกกำลังกายก่อให้เกิดผลในเชิงบวกต่อระดับของสารเคมีในสมองสี่ชนิดที่ส่งผลต่ออารมณ์: อะดรีนาลีน, เซโรโทนิน, โดพามีนและเอ็นโดรฟิน นอกจากนี้การออกกำลังกายยังช่วยกระตุ้นการปลดปล่อยของเซลล์ประสาทที่มาจากสมอง (BDNF) ในพื้นที่ฮิบโปแคมปัสของสมองซึ่งจะกระตุ้นการสร้างเซลล์ประสาทใหม่และซ่อมแซมเซลล์ประสาทที่เสียหาย เนื่องจากการศึกษาแสดงว่าฮิพโพแคมปัสในบุคคลที่เป็นโรคซึมเศร้าอาจมีขนาดเล็กกว่าปกติ 15 เปอร์เซ็นต์การเร่งระบบประสาทผ่านการออกกำลังกายที่กระตุ้นโดย BDNF อาจช่วยรักษาอาการซึมเศร้าในคลินิก
อะดรีนาลีนเป็นผู้ส่งสารเคมีที่รับผิดชอบต่อการตอบโต้ของ "การต่อสู้หรือหนี" ของร่างกายต่ออันตรายหรือความเครียด สารเคมีนี้จะหมดลงภายใต้เงื่อนไขของความเครียดเรื้อรังความวิตกกังวลและความอดอยากมักจะทำให้เกิดอาการอ่อนเพลียเหนื่อยล้าจิตใจและซึมเศร้า แม้ว่าการออกกำลังกายอย่างเข้มข้นจะกระตุ้นการปล่อยอะดรีนาลีน แต่การออกกำลังกายระดับปานกลางอย่างสม่ำเสมอด้วยการสลับแสงและการออกแรงแบบเข้มข้นช่วยลดระดับการไหลเวียนของอะดรีนาลีน สิ่งนี้อำนวยความสะดวกในการทำงานที่ดีขึ้นของระบบประสาทกระซิกซึ่งเป็นสื่อกลางในการย่อยอาหารการนอนหลับการตอบสนองของภูมิคุ้มกันและการซ่อมแซมเนื้อเยื่อร่างกาย นอกจากนี้ยังช่วยลดอัตราการเต้นของหัวใจความดันโลหิตอุณหภูมิของร่างกายและระดับคอร์ติซอลซึ่งทั้งหมดนี้มีผลทางจิตใจที่สงบเงียบและมีพลังซึ่งอธิบายถึงส่วนหนึ่งของการเชื่อมโยงระหว่างการออกกำลังกายและอารมณ์
Serotonin เป็นสารสื่อประสาทหลักที่รับผิดชอบต่อความรู้สึกของความเป็นอยู่และความพึงพอใจ จากการศึกษาพบว่าผู้ที่เป็นโรคซึมเศร้านั้นมีระดับเซโรโทนินในสมองลดลงและยาต้านอาการซึมเศร้าหลายตัวทำงานโดยการยกระดับเซโรโทนิน ระดับเซโรโทนินต่ำทำให้เกิดความหงุดหงิดอ่อนเพลียและหงุดหงิด นอกเหนือจากการกระตุ้น neurogenesis แล้ว BDNF ยังช่วยเพิ่มการผลิตเซโรโทนินและการส่งสัญญาณซึ่งในทางกลับกันจะช่วยเพิ่มการปลดปล่อย BDNF วงจรการทำงานร่วมกันนี้อาจเป็นองค์ประกอบสำคัญของความสัมพันธ์ที่สำคัญระหว่างการออกกำลังกายและการเพิ่มอารมณ์
โดปามีนช่วยให้ร่างกายควบคุมการตื่นและนอนหลับ ความไม่สมดุลในโดปามีนจะขัดขวางรูปแบบการนอนหลับทำให้เกิดความเมื่อยล้า Jet lag เป็นผลมาจากความไม่สมดุลของโดปามีนที่เกี่ยวข้องกับการเดินทางข้ามโซนเวลาอาหารที่ไม่ดีหรือความอดอยากความเครียดหรือความวิตกกังวล ในสมองระดับโดปามีนมีความผันผวนกับระดับเซโรโทนิน เนื่องจากการออกกำลังกายยกระดับเซโรโทนินระดับโดปามีนก็เพิ่มขึ้นเช่นกันโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อตอบสนองต่อความเข้มปานกลางการออกกำลังกายเป็นเวลานานแสดงให้เห็นถึงความเชื่อมโยงระหว่างการออกกำลังกายและอารมณ์
Endorphins ซึ่งเป็นยาแก้ปวดยาแก้ปวดตามธรรมชาติของร่างกายลดความเจ็บปวดทางร่างกายและจิตใจและสร้างรูปแบบของความรู้สึกสบาย สารเคมีเหล่านี้ซึ่งถูกปล่อยออกมาจากต่อมใต้สมองเพื่อตอบสนองต่อความเจ็บปวดหรือความเครียดที่เกี่ยวข้องกับการออกกำลังกายโต้ตอบกับผู้รับเช่นเดียวกับเฮโรอีนหรือมอร์ฟีนตัดความเจ็บปวดและสร้างสูงตามธรรมชาติ การวิจัยแสดงให้เห็นว่าเอ็นดอร์ฟินทะลักเข้าสู่สมองภายใน 30 นาทีหลังจากการเริ่มต้นของการออกกำลังกายและการไหลบ่าเข้ามานี้จะเพิ่มขึ้นตามความถี่ของการออกกำลังกาย แม้ว่าเอนดอร์ฟินอาจมีผลกระทบที่ทำให้ติดเหมือนนิโคตินหรือมอร์ฟีน แต่ก็ต้องใช้เวลา 30 นาทีเพื่อให้ได้มาซึ่งความพึงพอใจเพื่อให้การออกกำลังกายนั้นลดน้อยลง จากการสำรวจหลายครั้งพบว่ามีชาวอเมริกันเพียง 15% เท่านั้นที่มีส่วนร่วมในการออกกำลังกายระดับปานกลางและพบกับผลกระทบที่น่ายินดีจากการออกกำลังกายและการเสริมอารมณ์โดย endorphins
แม้ว่าการออกกำลังกายชนิดใดก็ตามจะช่วยเพิ่มอารมณ์ แต่ประเภทของการออกกำลังกายที่บุคคลมีส่วนร่วมนั้นมีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในผลกระทบที่มีต่อสารเคมีในสมอง กิจกรรมที่เข้มข้นสูงเช่นการวิ่งการยกน้ำหนักและการฝึกซ้อมเป็นช่วง ๆ เพิ่มระดับอะดรีนาลีน ในทางกลับกันการขี่จักรยานการวิ่งทางไกลการว่ายน้ำและกิจกรรมอื่น ๆ ที่ต้องใช้ความพยายามในระดับปานกลางในระยะเวลานานจะทำให้เกิดการจ่ายเงินปันผลมากขึ้นในการเพิ่มสารเคมีในสมอง เส้นทางที่ใช้ในการทำซ้ำในสมองจะแข็งแกร่งขึ้นในแต่ละครั้งที่ใช้ทำให้การตอบสนองทางประสาทและการออกกำลังกายและการยกระดับอารมณ์ที่สอดคล้องกันนั้นลึกซึ้งยิ่งขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป
