紧张性头痛的原因目前研究并不清楚。研究表明有两大类原因，一个是颅周肌肉的紧张，另一个是中枢疼痛调节机制的异常。如果为颅外筋膜持续的疼痛，可使体内产生导致疼痛的物质，如激肽、缓激肽、P物质、降钙素、基因相关肽、前列腺素等，它的分泌增加，从而使得脊髓后角三叉神经脊束核二级神经元，以及丘脑的三级神经元，还有大脑的感觉皮层这一系列的感觉传导通路发生敏化，感觉传导通路敏化后，使得患者对于头痛的敏感性更高，更容易导致头痛的发作。紧张性头痛还有一些其他的原因，如长期颈部的劳累、姿势的异常、肌肉的紧张及情绪的焦虑紧张、睡眠障碍等均可以导致紧张性头痛的发生。
