Muchas áreas de la cabeza pueden doler, en la que se incluyen una vasta red de nervios, los cuales se extienden sobre el cuero cabelludo, y ciertos nervios de la cara, boca y fauces. Los músculos de la cabeza y los vasos sanguíneos que se hallan a lo largo de la superficie y la base del cráneo también son sensibles al dolor. Los huesos del cráneo y el tejido cerebral, no obstante, nunca duelen porque los mismos carecen de fibras nerviosas sensibles al dolor. Las terminaciones de estas fibras sensitivas se denominan nociceptores, y pueden ser estimulados por el Stress, tensión muscular, dilatación de los vasos sanguíneos y otros mecanismos "disparadores" de las cefaleas. Una vez estimulado, el nociceptor envía un mensaje a lo largo de fibras nerviosas hasta las neuronas cerebrales, señalando cual es la parte del cuerpo que duele. Este mensaje está determinado por la localización del receptor o nociceptor. Un grupo de sustancias químicas posibilitan la transmisión de la información conexa al dolor, hacia el Cerebro, algunas de estas sustancias son proteínas con facultades analgésicas naturales llamadas "endorfinas", también llamadas " la morfina interior". Existe una teoría que sugiere que aquellas personas que sufren cefaleas severas y otros tipos de dolor crónico tienen bajos niveles de endorfinas que aquellos individuos quienes generalmente no experimentan dolor.
Existen muchas variedades de dolor de cabeza y muchas causas que lo provocan. La cefalea más común es por tensión muscular debida a problemas posturales, estrés o agotamiento. La sinusitis y los trastornos oculares también son causa de cefalea, que se percibe en la zona delantera del cráneo o sobre los ojos; el dolor de cabeza causado por estos trastornos generalmente empeora con el frío o después de hacer esfuerzos con la vista. Ciertas cefaleas tienen características especiales, ya que afectan solamente un lado de la cabeza con crisis muy intensas pero cortas y también producen hinchazón y enrojecimiento del ojo del lado dolorido. La migraña es un tipo especial de dolor de cabeza de naturaleza pulsátil que se acompaña de una serie de manifestaciones neurológicas (hormigueos, mareos), visuales (pérdida de la visión en una zona determinada o se ven luces brillantes) e incluso gastrointestinales (náuseas y vómitos). La razón de este dolor particular es la constricción -seguida de dilatación- de las arterias del cerebro y la baja concentración del neurotransmisor serotonina, que podría causar estos trastornos vasculares. Sin embargo, el dolor sería desencadenado por cambios hormonales, ciertas comidas o por presión en la zona cervical de nervios o músculos.
