Il mal di testa a "rombo di tuono" può essere l'unico sintomo dell'emorragia subaracnoidea, una forma di "ictus" in cui il sangue si accumula intorno al cervello, spesso dopo la rottura di un aneurisma cerebrale. Il mal di testa accompagnato da febbre può essere indice di una meningite, in particolare se vi è la presenza di segni di meningismo (incapacità di flettere il collo in avanti), mentre la confusione può essere indicativa di encefalite (infiammazione del cervello, di solito a causa di particolari virus). La cefalea che viene aggravata in seguito ad uno sforzo o al cambiamento di postura può essere causata da un aumento della pressione intracranica, spesso ciò si accentua di mattina ed è associato a vomito. L'aumento della pressione intracranica può essere dovuto a tumori cerebrali, ipertensione intracranica idiopatica (IIH, più comune nelle donne giovani in sovrappeso) e talvolta dalla trombosi del seno venoso cerebrale. Un mal di testa che si presenta con debolezza in una parte del corpo può indicare un ictus (emorragia intracranica o ematoma subdurale) o un tumore al cervello. La cefalea nelle persone anziane, in particolare se associata a sintomi visivi o "claudicatio" della mandibola, può indicare arterite a cellule giganti (GCA), in cui la parete del vaso sanguigno è infiammato e così viene ostacolato il flusso di sangue. L'avvelenamento da monossido di carbonio può portare a mal di testa, nausea, vomito, vertigini, debolezza muscolare e visione offuscata. Il glaucoma (aumentata pressione acuta nel bulbo oculare) può portare a mal di testa, soprattutto intorno agli occhi, così come anomalie della vista, nausea, vomito e un occhio rosso con la pupilla dilatata.