As causas de dores de cabeça graves dividem-se geralmente em duas categorias principais: primeiro, as dores de cabeça funcionais, das quais as dores de cabeça vasoneuroticas, também conhecidas como enxaquecas, são a principal causa, quer devido a uma vasoconstrição disfuncional e dilatação dos vasos sanguíneos no crânio, quer devido a secreção anormal de neurotransmissores como a 5-hidroxitriptamina e a disfunção do nervo trigémeo. Existem também a neuralgia primária do trigémeo e a neuralgia occipital, ambas são dores de cabeça graves cuja causa ainda não é totalmente compreendida, e que podem por vezes ser causadas pela compressão dos nervos pelos colaterais vasculares circundantes. O segundo tipo de cefaleia grave é causado por doença orgânica, sobretudo hemorragia subaracnoídea e hemorragia ventricular. A hemorragia intracerebral substancial também pode causar dores de cabeça graves, mas a dor é geralmente menos grave do que na hemorragia subaracnoídea. Além disso, as infecções do sistema nervoso central, tais como meningite viral, meningoencefalite tuberculosa e meningite séptica, podem também causar dores de cabeça graves.