W wypadku bólu pierwotnego najbardziej istotnymi strukturami zaangażowanymi w patogenezę wydają się być: duże naczynia wewnątrzczaszkowe wraz z oponą twardą obwodowe zakończenia nerwu trójdzielnego, które je zaopatrują część ogoniasta jądra trójdzielnego, która przyjmuje impulsacje bólową z okolic głowy i szyi obwody modulujące uczucie bólu wewnątrz mózgu.
Objawy pochodzenia autonomicznego, na przykład łzawienie i zatkanie przewodów nosowych, wyraźnie zaznaczają się w bólach głowy pochodzenia tak zwanego trójdzielno-autonomicznego. Są konsekwencją pobudzenia włókien przywspółczulnych nerwów czaszkowych. Kontrowersje wzbudza składowa naczyniowa wielu pierwotnych bólów głowy. W badaniach obrazowych pojawiające się zmiany są niespecyficzne i nie wpływają na szansę osiągnięcia sukcesu terapeutycznego. Pomimo tego główną przesłanką do stosowania środków farmakologicznych typu tryptanów (mających potwierdzoną skuteczność) jest odpowiedź na niedostrzegalne zaburzenia ukrwienia.
Ból głowy może być objawem klinicznym depresji maskowanej (czyli takiego rodzaju depresji, w której endogenny zespół depresyjny maskowany jest przez inne objawy).