头部由上方的颅部与前下方的面部两部分组成，颅部由颅顶和颅底两部分组成，颅顶又分为额顶枕区和两旁的颖区．并包括其深面的颅顶诸骨。颅底有许多重要的孔道，是神经、血管和淋巴管出入颅的部位。颅底有内、外面之分。
颅部可分为颅脑、颅骨、头部肌肉、皮肤等结构，通常将颅骨内的大脑、间脑、小脑及脑干称为颅内组织，颅骨外包括颅骨、头部肌肉、头皮等的部分称为颅外组织。颅内组织有几层膜包绕，称为软脑膜、蛛网膜、硬脑膜。脑底部发出许多神经到头面部如三叉神经、舌咽神经、迷走神经等。颅外结构也含有丰富的神经和血管。其中对疼痛敏感的颅外组织有头皮、颅外动脉、鼻腔和副鼻窦私膜、外耳和中耳、牙齿、头皮下、面部及颈部的肌肉。颅脑中却只有少量的组织可以感受疼痛，真正的脑组织里面却没有疼痛感觉，颅内的血管和包绕脑的脑膜是主要的疼痛感觉结构，包括静脉窦以及引流到静脉窦的大静脉、颅底部的硬脑膜．支配硬脑膜的动脉、组成颅底动脉环的大动脉、二叉神经、舌咽神经和迷走神经、颈段1～3脊髓神经。这些对疼痛敏感的颅内颅外结构受到牵拉、推移、压迫、血管收缩或者扩张、肌肉收缩等均会引起头痛。面部位于颅部的前下方，以面颅诸骨为支架，容有眼、耳、鼻舌等感觉器官。面部的感觉神经为三叉神经分支，支配面肌活动的是面神经分支。头面部的神经痛也是头痛常见的原因之一。脑位于颅腔内，可以分为大脑、间脑、中脑、后脑和延髓五个部分。通常将中脑、脑桥和延髓合称为脑干。从人脑的结构来说，人脑大致分为大脑、小脑和脑干等部分。大脑皮质由神经细胞组成，人脑共有多亿个神经细胞，这些细胞小的直径5μm，大的μm。
人类的大脑分为躯体运动区、躯体感觉区、视区、听区嗅觉区、味觉区、语言区等，每个部分都有精确的分工，管理人的精神活动、手脚运动、感觉等。一旦某个部位受到损害就可以出现相应管理区的功能障碍。比如左侧大脑病变引起右侧手脚的麻痹，脑顶部的病变引起腿的无力。当然，大脑皮质功能定位也是相对的，现代科学只掌握了一些简单的功能障碍的定位。至于管理疼痛的脑组织，主要是丘脑和顶叶的皮质。丘脑位于脑深部，左右各一个，约拇指大小，起到疼痛信息的传递和疼痛信息的信号处理作用。人类管理疼痛的中心在顶叶，一旦那里受到完全损害，人就会丧失感觉或者出现异常感觉。
脑和脊髓接受内、外环境的大量传人信息，然后做出反应。而信息的传递都有一定的传导通路，可分为感觉和运动传导通路。痛觉传导通路属于浅部感觉传导通路。又可分为躯干、四肢的痛觉传导通路和头面部的痛觉传导通路，头痛也是通过痛觉传导通路而感知的。