头痛是由于头颈部疼痛敏感结构被牵拉移位、炎症刺激、血管痉挛或扩张所引起的。颅骨、大脑凸面的硬脑膜、室管膜、脉络丛和大部分脑实质结构对疼痛不敏感。头部疼痛敏感结构包括：①头面部皮肤、皮下组织、帽状腱膜肌肉、颅外动脉和骨膜；②眼、耳、鼻腔和鼻旁窦结构；③颅内静脉窦及其较大分支，特别是海绵窦周围结构；④位于颅底部的硬脑膜，分布在硬脑膜和软脑膜-蛛网膜间的动脉，特别是大脑前动脉和大脑中动脉的近端部分以及颈内动脉的颅内段；⑤脑膜中动脉和颞浅动脉；⑥视神经、动眼神经、三叉神经、舌咽神经、迷走神经和上段颈神经（C1～C3）；⑦中脑导水管周围灰质和丘脑感觉中继核团。

疼痛的传导：上述疼痛敏感结构上的中小血管分布着痛觉纤维，刺激后产生痛觉冲动，经痛觉传导通路传导至大脑皮层中央后回第一感觉区而产生疼痛。三叉神经第一支和第二支传导来自前额部、眼眶、前颅凹、中颅凹和小脑幕上面的痛觉刺激；面神经的蝶腭支可传导鼻—眶区的痛觉冲动；舌咽神经、迷走神经和上位颈神经（C1～C3）传导小脑幕下面与后颅凹的痛觉冲动；来自颈交感神经节的交感纤维、蝶腭神经节的副交感纤维与三叉神经和其他感觉神经纤维共同传导大脑前动脉和大脑中动脉的近端部分以及颈内动脉颅内段的疼痛感觉，这些部位的刺激可引起眼、眶周、前额部和颞部的疼痛，脑膜中动脉扩张可引起眼球后部和颞部的疼痛。

总之，来自小脑幕上结构的疼痛多投射到三叉神经第一、二支分布区，即前额部、颞部及眼眶部；小脑幕下结构的疼痛多投射至上位颈神经分布的头顶部和头颈后部；面神经、舌咽和迷走神经分布区的疼痛投射至鼻-眶区、耳部、咽喉部。疼痛的体表投射部位可有局部头皮的触痛，脑部除接纳疼痛感觉外，对其也起调节作用。刺激某些部位如中脑导水管旁灰质、缰核、中缝核等可以镇痛。中缝核为5-羟色胺细胞的中枢，其下行纤维通过脊髓的内啡肽能中间细胞，作用于后角细胞（包括三叉神经脊束核）抑制疼痛的传入。

颅内占位病变可引起大脑底部血管和硬脑膜结构的变形、移位或牵拉，产生头痛。颅内压增高时由于血管和硬脑膜受牵拉引起双侧枕部或双侧前额部的疼痛，这种头痛的严重程度呈波动性，晨起最重，咳嗽、打喷嚏、大便用力均会加重头痛。

癫痫发作后口服硝酸甘油等血管扩张药物、饮酒、食用味精或热狗等食物引起血管扩张而产生头痛；颅内或颅外急性感染等发热性疾病可引起血管扩张，导致全头痛或以前额、枕部为主的头痛，压迫一侧颈动脉或颞浅动脉常可使疼痛减轻。血压显著增高如嗜铬细胞瘤、恶性高血压、性生活等均可引起双侧严重的搏动性头痛，但轻中度高血压一般不引起头痛。

上颌窦、额窦炎症时窦内压力变化和刺激窦壁均可产生疼痛，并伴有体表投射区的皮肤触痛。筛窦和蝶窦的疼痛位于鼻根后深部，也可出现在头顶部或其他部位。鼻旁窦炎性头痛的发作与缓解取决于窦内引流是否通畅，与窦口的相对位置有关。额窦炎和筛窦炎晨起最重，当患者处于直立位时逐渐减轻，而上颌窦和蝶窦炎正好相反。

疼痛位于眼眶、前额或太阳穴，呈持续性。远视和散光患者长时间阅读后可引起眼部疲劳，常因眼外肌、额颞部甚至枕部肌肉的持续性收缩而引起头痛。纠正屈光不正可缓解头痛。球后视神经炎、虹膜睫状体炎或急性青光眼时的疼痛可放射到额部。

此种疼痛常牵涉到同侧枕部和颈项部，有时也牵涉到太阳穴和前额。多见于老年颈椎退行性病变、颈部挥鞭伤、或头颈部突然屈伸、扭转造成损伤的患者。颈后部肌纤维织炎也可造成后枕部疼痛。

颅内炎症性渗出物、出血性疾病的血液可刺激脑膜引起剧烈的持续性全头痛，多伴颈项强直，特别是屈颈时更明显。有人认为颅内压增高是引起头痛的原因，实际上脑膜血管扩张和炎症反应使大血管和脑膜疼痛感受器受到血清素、激肽类等物质的化学性刺激，才是导致头痛和颈项强直的原因。如表皮样囊肿破裂引起的化学性脑膜炎，脑脊液压力通常正常，但头痛却很严重。

持续性后枕部疼痛，立位时加重，卧位时减轻，系腰椎穿刺术引起脑脊液压力过低所致。脑脊液从蛛网膜下腔经硬脊膜穿刺孔不断地漏至硬膜外间隙，并由软组织吸收，造成脑脊液压力持续降低，鞘内注射无菌生理盐水可缓解头痛，压迫颈静脉可减轻头痛。直立位时，低颅内压引起脑组织向下移位，使硬脑膜和静脉窦受到牵拉产生头痛。另外，腰穿也可引起无菌性或化学性脑膜炎，导致严重的颈项强直和后枕部疼痛。

大脑无实质性病变，其功能失调也可引起头痛。如患神经症、抑郁症或癔症时，大脑对疼痛感受的阈值降低，且头颈部肌肉持续紧张收缩，可引起头痛。