A falta de sono afecta o fornecimento de sangue e de oxigénio ao cérebro, o que provoca dores de cabeça. Quando o cérebro não descansa o suficiente, consome mais oxigénio e é fácil produzir demasiadas substâncias nocivas, o que afecta o metabolismo do cérebro, pelo que a sensação de dor se torna mais evidente. Se houver dores de cabeça vasculares e neurológicas, as dores de cabeça agravar-se-ão durante um sono de má qualidade. As cefaleias de tensão, bem como as cefaleias de stress, também podem ser induzidas nos doentes, especialmente na presença de tumores cerebrais e meningite. Se houver um historial de traumatismo craniano, este pode também afetar a cabeça durante a insónia, podendo ocorrer um agravamento das dores de cabeça.