Sakit kepala dengan muntah memiliki dua kemungkinan penyebab: pertama, reaksi otonom. Sakit kepala, terutama sakit kepala vaskular, atau neuralgia parah, sering disertai dengan disfungsi otonom. Otot polos saluran pencernaan dipersarafi oleh saraf otonom, dan ketika fungsinya terganggu, gejala ketidaknyamanan saluran cerna seperti mual dan muntah sering terjadi, bersama dengan gejala disfungsi otonom lainnya seperti mulas dan berkeringat. Kedua, tekanan tengkorak yang tinggi menyebabkan muntah. Pasien yang menderita penyakit organik intraserebral, seperti pendarahan otak, pendarahan subarakhnoid atau tumor intraserebral, infeksi sistem saraf pusat, trombosis sinus vena intrakranial, dll., dapat menyebabkan peningkatan tekanan intraserebral yang signifikan, menyebabkan muntah sekunder, yang biasanya seperti semburan dan muntahannya bisa berupa isi perut atau cairan seperti kopi karena pendarahan dari ulkus stres.