Un fenomeno misterioso che si sarebbe manifestato nel corpo di Padre Pio furono le febbri alte. Secondo quanto riportato da Renzo Allegri, tale evento sconcertò alcuni dei medici che in qualche modo si erano interessati alla sua salute. I primi a osservarle furono i medici dell'ospedale militare di Napoli durante una visita di controllo. La febbre era così alta che il termometro clinico non era in grado di misurarla in quanto fuori scala. In altre occasioni, sempre durante il periodo del servizio militare, sarebbero state rilevate temperature elevate fino a 52 °C. Il primo a misurare con esattezza il grado di temperatura della febbre di padre Pio fu un medico di Foggia, quando il frate era ospite di un convento del luogo e continuava a stare male. Il medico ricorse a un termometro da bagno che avrebbe registrato una temperatura di 48 °C.
Lo studio scientifico di quelle febbri altissime fu ripreso dal dottor Giorgio Festa nel 1920, che aveva sentito parlare di tale anomalia e riteneva il fenomeno impossibile. Iniziò pertanto a misurargli la temperatura con metodo, due volte al giorno, e diede ordine ai superiori del convento di fare altrettanto in sua assenza. Secondo il rapporto stilato da Festa, a giorni in cui la temperatura oscillava tra i 36.2 e i 36.5 °C si alternavano altri in cui si evidenziavano picchi di temperatura a 48-48.5 °C. Quando veniva colto da tali temperature elevate, il frate appariva molto sofferente e agitato sul suo letto, ma senza delirio e senza i comuni disturbi che di solito accompagnano alterazioni febbrili notevoli. Secondo Francesco Castelli, il Padre Lorenzo da San Marco in Lamis, superiore dei Cappuccini di San Giovanni Rotondo, interrogato il 16 giugno 1921 dal Visitatore Apostolico, dichiarò di avere verificato a più riprese la temperatura di Padre Pio, alla presenza del dottor Francesco Antonio Gina e del dottor Angelo Merla, riscontrando successivamente 43 °C, 45 °C e 48 °C. Dopo uno o due giorni tutto rientrava nel suo stato normale, e al terzo giorno lo si vedeva nuovamente nel confessionale.
Da un punto di vista medico-scientifico si tratterebbe di un fenomeno inspiegabile, in quanto temperature così elevate dovrebbero condurre in breve tempo alla morte: in generale, infatti, la temperatura corporea più elevata considerata ancora compatibile con la vita è 42 °C anche se, per brevi periodi, è possibile sopravvivere a temperature più elevate, sino a 43 °C". Tuttavia viene riportato che dopo tali attacchi febbrili il frate era in grado di tornare ai suoi compiti senza apparente danno. Il fenomeno delle ipertermie è oggetto di discussione e di diverse interpretazioni. Ad esempio, secondo Pier Angelo Gramaglia, anche se Padre Pio 'interpretava il fenomeno come un segno di inusuali esperienze mistiche',

'in realtà l'ipertermia ha per lo più cause neuropatologiche e può accompagnare le reazioni emotive di individui che subiscono facilmente stati di dissociazione, perdendo nel delirio febbricitante conseguente il senso del limite tra fantasia allucinata e realtà. L'ipertermia provocava anche deliri, grida e crisi isteriche, sempre acriticamente intese quali esperienze soprannaturali e di eventi carismatici'.