剧烈头痛的原因一般分为两大类：
第一类，功能性头痛，其中以血管神经性头痛为主要代表，又叫做偏头痛，它发生的原因一般是颅内的血管收缩扩张功能发生障碍，或者是5-羟色胺等神经递质分泌异常以及三叉神经功能紊乱等。此外，还有原发性的三叉神经痛以及枕神经痛，都是原因尚不能完全明确的剧烈头痛的原因，有时可能是周围走行的血管袢压迫到神经所导致的。
第二类，器质性疾病引起的剧烈头痛，最具代表性的就是蛛网膜下腔出血以及脑室出血，脑内实质性出血有时也会剧烈头痛，但疼痛程度一般不如蛛网膜下腔出血。此外，像中枢神经系统感染，比如病毒性脑膜炎、结核性脑膜脑炎、化脓性脑膜炎等也可以引起剧烈头痛。