睡醒后头痛可能是由于睡眠环境空气流通不太好，卧室内的空气相对密闭，很容易造成大脑乏氧，特别是氧分压或动脉血氧饱和度较低时，容易导致血流量与通气之间的比例失调，进而引起明显头痛症状。
也可能是由于本身存在高脂血症，导致血液黏稠度较高，再加上睡觉时机体当中血流速度减慢，致使冠状动脉供血不足，进而引起睡醒后头痛。
另外，还可能是由于睡觉时长期保持固定姿势，导致颈椎部位肌肉过度僵硬，对椎基底动脉造成压迫，进而引起椎基底动脉供血不足，也会在睡醒后头痛，这种情况常见于椎动脉型颈椎病患者。