Muchas áreas de la cabeza pueden doler, incluyendo unas redes de nervios que se extienden a través del cuero cabelludo. También los músculos de la cabeza y las venas de la base del cerebro son sensibles al dolor porque contienen fibras nerviosas delicadas. Sin embargo, los huesos del cráneo y los tejidos del cerebro no duelen porque no tienen fibras nerviosas sensitivas.

Las puntas de los nervios del dolor se llaman receptores, pueden ser estimulados por estrés, tensión muscular, venas dilatadas y otros disparadores de dolor. Una vez estimulado un receptor envía un mensaje a las fibras nerviosas y éstas a las células del cerebro que señalan que una parte está doliendo.

Los llamados dolores de cabeza tensionales, de migraña o racimo pueden ser ocasionados por una inestabilidad eléctrica de ciertos centros del cerebro que regulan la sangre de las vesículas alrededor de la cabeza y el cuello. Esta inestabilidad puede ser heredada y parece que involucra a los neurotransmisores (mensajeros químicos).

Una teoría de los dolores de cabeza vasculares es que son causados por la inflamación de las venas. La constricción que le sigue es lo que causa el dolor.

Por otro lado, los dolores de cabeza tensionales se presentan por el endurecimiento y espasmos musculares alrededor de la cabeza, cuello y mandíbula.