Van Gogh thường xuyên gặp phải các vấn đề về thần kinh, đặc biệt trong những năm cuối đời. Đã có rất nhiều cuộc tranh luận nổ ra trong việc tìm nguyên nhân thực sự cho chứng bệnh thần kinh của họa sĩ và tác động của nó lên các tác phẩm của ông. Người ta đã đưa ra khoảng 30 chẩn đoán khác nhau cho triệu chứng bệnh của Van Gogh[100], trong đó phải kể tới chứng tâm thần phân liệt, rối loạn chức năng, giang mai, ngộ độc màu vẽ, động kinh và rối loạn chuyển hóa porphyrine cấp tính. Bất kì chứng bệnh nào trong số trên cũng có thể là thủ phạm dẫn tới sự suy nhược thần kinh của họa sĩ, tình trạng của ông còn bị làm trầm trọng thêm do ăn uống thiếu chất, lao lực, mất ngủ và nghiện rượu, nhất là rượu absinthe.

Cũng có nhiều giả thuyết y học được đưa ra để giải thích việc Van Gogh ưa dùng màu vàng trong các bức tranh của ông. Một giả thuyết cho rằng việc này có thể xuất phát từ chứng nghiện absinthe của Van Gogh, trong loại rượu này có chứa một loại neurotoxin tên là thujone. Việc hấp thụ thujone với liều cao có thể dẫn tới chứng thấy sắc vàng (xanthopsia). Tuy nhiên, một công trình nghiên cứu năm 1991 đã chỉ ra rằng những người nghiện absinthe sẽ phải trở nên gần như vô thức nếu hấp thụ đủ lượng thujone gây chứng thấy sắc vàng. Cũng có giả thuyết cho rằng bác sĩ Gachet có thể đã kê đơn cho Van Gogh dùng mao địa hoàng (digitalis) để chữa chứng động kinh của ông. Việc này được suy đoán từ những bức chân dung bác sĩ Gachet của Van Gogh, bên cạnh người mẫu thường có vài cây hoa mao địa hoàng. Người dùng mao địa hoàng với liều lớn có thể dẫn tới triệu chứng quan sát thấy những điểm màu vàng có quầng xung quanh (giống như trong bức Đêm đầy sao)[101].

Người ta còn đưa ra một giả thuyết cho thể trạng yếu của họa sĩ, đó là do ngộ độc chì. Các màu vẽ mà Van Gogh thường dùng đều có gốc chì, và một trong các triệu chứng của nhiễm độc chì đó là căng võng mạc dẫn tới thường xuyên nhìn thấy các quầng sáng, một đặc điểm thường thấy trong các tác phẩm cuối đời của họa sĩ[102].

Năm 2014, kỹ sư hóa học người Hà Lan, Rene Van Slooten, đã đưa ra giả thuyết Van Gogh đã sử dụng khí đốt để thắp sáng các căn phòng nơi ông làm việc vào buổi đêm và Carbon monoxit và các kim loại nặng – thậm chí cả uranium trong than đá chứa lẫn nhiều tạp chất có thể là nguyên nhân gây ngộ độc cho ông. Nhưng giả thuyết của Slooten về nhà danh họa Van Gogh vẫn không nhận được sự tán thành của số đông. Nhà thần kinh học đã nghỉ hưu kiêm chuyên gia về Vincent Van Gogh, ông Piet Voskuil, cho rằng giả thuyết của Van Slooten không đáng tin cậy.[103]