Согласно статистике, в большинстве случаев головные боли относятся к первичным (протекают без осложнений и быстро проходят), однако некоторые формы вторичных головных болей могут быть признаком опасного заболевания, для которого требуется специфичное лечение. Определение формы головной боли может оказаться затруднительным. В некоторых случаях для выяснения природы головной боли требуется длительное наблюдение за пациентом с использованием всех клинических и параклинических исследований. Для своевременного выявления застойных процессов на диске зрительного нерва необходимо исследование глазного дна и контрольного измерения артериального давления.
Для исключения объёмных процессов необходимо проведение электроэнцефалографии, которая может выявить очаг патологической активности или общемозговые изменения электрической активности позволяющие исключить невротический характер цефалгии (головной боли). Во всех случаях интенсивных или затяжных головных болей показано томографическое исследование головы, а при необходимости и проведения люмбальной пункции для исследования спинномозговой жидкости. Диагностика головной боли с помощью электроэнцефалограммы оказывается малоэффективной.
В случаях, когда болевые симптомы не соответствуют диагностическим признакам первичной головной боли, или головная боль сопровождается нехарактерными симптомами, назначается дополнительное обследование. Нейровизуализация (КТ головного мозга без контраста) рекомендована пациентам с неврологической симптоматикой, включающей спутанность сознания, гемипарез, нарушение размера зрачков и др., а также — пациентам с внезапным приступом сильной головной боли и ВИЧ-положительным больным. КТ головного мозга может быть рекомендовано лицам старше 50 лет.
Головную боль следует дифференцировать от сенестопатии при психических заболеваниях (чаще шизофрении), когда пациенты жалуются на вычурные ощущения «переливания внутри мозга», «скручивания», «прокалывания», «жжения в голове» Боли, возникающие ниже линии, которая соединяет наружный угол глаза, наружный слуховой проход и далее идёт к I шейному позвонку (орбитомеатальная линия, от лат. orbita — глазница и лат. meatus — проход), не называют головной болью; они являются либо лицевыми болями (прозопалгия), либо шейными болями. Такое условное разделение несёт диагностическое значение.
Изменение степени интенсивности на протяжении суток (уменьшение выраженности во второй половине дня) является отличительной особенностью головной боли при депрессии.