Tidur yang tidak nyenyak akan mempengaruhi suplai darah dan suplai oksigen ke otak, sehingga akan menyebabkan sakit kepala. Ketika otak tidak mendapatkan istirahat yang cukup, otak akan mengkonsumsi lebih banyak oksigen, dan mudah memproduksi terlalu banyak zat berbahaya, yang mempengaruhi metabolisme otak, sehingga akan muncul sensasi nyeri yang lebih jelas. Jika ada sakit kepala vaskular serta sakit kepala neurologis, sakit kepala akan semakin parah saat kurang tidur. Sakit kepala tegang, serta sakit kepala akibat stres, juga dapat terjadi pada pasien, terutama dengan adanya tumor otak dan meningitis. Jika terdapat riwayat cedera kepala, hal ini juga dapat mempengaruhi kepala selama insomnia dan sakit kepala yang memburuk dapat terjadi.