頭痛與機體其他部位疼痛的發生過程一樣，多數都是由于致痛因子(物理性或化學性的)作用于頭部疼痛敏感組織內的感受器，經痛覺傳導通路至中樞神經系統進行分析、整合而產生痛覺。當然，心因性精神因素所致頭痛純屬于患者的主觀體驗。

 　　頭部對疼痛敏感的組織有以下幾部分：
　　
　　(1)顱外部分：

　　顱外的各種結構如頭皮、皮下組織、肌肉、帽狀腱膜、骨膜以及血管、肌肉和末梢神經等對疼痛均較敏感。其中主要結構有：
　　①顱外動脈：顱外動脈對各種理化因子的刺激而產生的疼痛為最常見。頭面部動脈分布非常豐富，前額部有來源于頸內動脈的額動脈和眶上動脈；顳部和枕部有來源于頸外動脈的顳淺動脈、耳后動脈及枕動脈。各種原因致使血管內腔擴張、管壁牽拉、扭轉等都產生明顯頭痛。其中顳淺動脈、耳后動脈及枕動脈最為敏感。
　　顱外靜脈與同名動脈伴行，但對痛覺較遲鈍。
　　②顱外肌肉：顱外的頭頸部肌肉持續性地收縮和血流受阻，引起各種代謝產物堆積、釋放出 “致痛因子”而產生頭痛，如緊張性頭痛。
　　經常造成頭痛的肌肉有：位于頭部兩側顳窩內的顳肌，位于頸部深層的頭半棘肌、頭最長肌、頸最長肌、頸髂肋肌及枕下肌群，其次還有頸部中層的頭夾肌和頸夾肌，淺層的斜方肌、肩胛提肌和菱形肌等。
　　③顱外末梢神經：分布于顱外的末梢神經對疼痛也十分敏感。若受到刺激可產生深部放射痛，常被患者訴為頭痛。臨床上造成頭痛的神經有：額部的滑車上神經的眶上神經，屬于三叉神經第一支的分支；顳部的耳顳神經，屬于三叉神經的第三支；頂枕部的枕大神經、枕小神經和耳大神經都屬于脊神經頸叢的分支。
　　④頭顱骨膜：頭顱骨膜所造成的疼痛程度因部位而異。如頭頂部的骨膜幾乎無痛感，而顱底部骨膜對疼痛敏感。
頭骨、板障靜脈及導水管無痛覺。

　　(2)顱內部分：

　　顱內結構對疼痛敏感的主要是硬腦膜、血管和顱神經。
　　①硬腦膜：硬腦膜對疼痛的敏感程度各部位是不同的。
　　顱頂部的硬腦膜只有硬腦膜動脈兩旁5毫米以內的部分和靜脈竇邊緣部分對疼痛敏感，其余的硬腦膜對痛覺均較遲鈍。顱頂硬腦膜的形成物——上矢狀竇，其前1/3對痛覺遲鈍，越向后對痛覺越敏感。
　　顱底的硬腦膜對疼痛均較敏感。
　　前顱凹底部的硬腦膜以嗅球窩處痛覺最敏感。
　　中顱凹底部的硬腦膜對疼痛感覺遲鈍。
　　后顱凹底部沿核竇、乙狀竇兩邊的硬腦膜痛覺比較敏感。
　　②顱內血管：硬腦膜動脈比硬腦膜對疼痛更為敏感，其中以硬腦膜中動脈對疼痛最為敏感。
　　腦動脈中，頸內動脈有痛感；大腦前動脈從起始部到折向內側面的膝部有痛感，其余部分則痛感極遲鈍或無痛感；大腦中動脈從起始部起1～2厘米以內有痛感；腦底的椎-基底動脈主干有痛感，其他部位痛感如何，目前尚不清楚。
　　大腦靜脈多無痛感，僅在它們與靜脈竇相接處數毫米以內的部分可有痛感。
　　③顱神經根：神經根如三叉神經、面神經、舌咽神經、迷走神經在顱內的根絲受到刺激或牽拉時會出現疼痛。
　　④蛛網膜：除在腦底的大血管周圍部分的蛛網膜有痛感之外，幾乎均無痛感。
　　腦實質、室管膜、脈絡叢無痛感組織。