Различные патофизиологические процессы, симптомом которых является головная боль, вызывают прямое или опосредованное (например, изменение гомеостаза, вазомоторных реакций) раздражение экстра- и интракраниальных болевых рецепторов или изменяют порог их чувствительности. Раздражение может быть механическим (непосредственное воздействие внешнего фактора или патологического очага с натяжением, смещением, сдавливанием, расширением внутричерепных структур), термическим (повышение температуры тела, прямое переохлаждение или перегревание головы), химическим (воздействие эндогенных и экзогенных химических веществ, снижающих болевой порог, например при уремии, пищевых отравлениях и алкогольной интоксикации). Воспринимающие раздражения нервные окончания распределены в голове неравномерно. Большое количество чувствительных экстракраниальных рецепторов имеется в мягких тканях головы (коже, мышцах, апоневрозе, периосте черепа), стенках поверхностных артерий головы, например затылочной, лобной, поверхностной височной. Основной интракраниальной чувствительной структурой служит твердая мозговая оболочка, особенно базальные ее отделы в средней черепной ямке, а также образованные ею стенки венозных синусов, дупликатуры намета мозжечка, большого серповидного отростка, зоны вокруг крупных артериальных стволов. Обширной болевой рецепторной зоной внутри черепа являются также сосуды основания мозга, составляющие виллизиев круг, их крупные ветви и крупные менингеальные артерии. Нервные волокна, несущие болевые импульсы из экстрацеребральных зон и твердой мозговой оболочки, входят в основном в состав тройничного и, в меньшей степени, блуждающего и языкоглоточного нервов. Болевые импульсы из сосудов основания мозга проходят по вегетативным сплетениям, заложенным в стенках этих сосудов, затем частично переходят в сплетение внутренней сонной артерии и частично в систему блуждающего и тройничного нервов. Импульсы раздражения периферических болевых окончаний достигают коры головного мозга и воспринимаются как ощущение локальной или диффузной головной боли.