Clusterhoofdpijn is een hoofdpijnsoort welke zich in twee types onderscheidt; episodisch en chronisch. In de episodische vorm komen de aanvallen in clusters van een paar weken tot maanden waarna deze weer zullen verdwijnen. De naam clusterhoofdpijn komt van dit type hoofdpijn vandaan. Chronische patiënten (dit zijn tien tot de vijftien procent van alle gevallen) kennen een dergelijke periode van rust niet en hun aanvallen kunnen dag in dag uit door blijven gaan. De episodische clusterhoofdpijn kan overigens overgaan in de chronische vorm maar het omgekeerde is eveneens mogelijk.
Een merkwaardig fenomeen dat men bij clusterhoofdpijn kan waarnemen is de vrijwel metronomische regelmaat van de aanvallen. Aanvallen welke iedere dag op vrijwel exact hetzelfde tijdstip begint zijn erg typisch.
Uit wetenschappelijk onderzoek is vast komen te staan dat de aanvallen met name tijdens de slaap optreden en dan beginnen in de zogenaamde remslaap, als men aan het dromen is. Daarna wordt men wakker van de opkomende hoofdpijn. Eveneens bij het slapen overdag (zoals bij een middagdutje) kan eenvoudig een aanval optreden. Een gemeenschappelijke factor daarbij is de ontspannende reactie en de hierbij samen gaande prikkeling van het parasympathische zenuwstelsel, waardoor de bloedvaten wijder zullen worden en de hartslag en de bloeddruk zullen dalen. De hypothese dat het evenwicht tussen het sympathische- en parasympathische systeem verstoord is wanneer een beroep wordt gedaan op de compenserende werking van het sympathisch systeem, in het deel hiervan wat aangedaan wordt bij een aanval van clusterhoofdpijn volgt hieruit.
De bij ontspanning verwijde bloedvaten in de aangedane kant van het hoofd vernauwen zich niet maar zwellen juist extra op door de stijgende bloeddruk als bijvoorbeeld de remslaap start of er op een andere manier een beroep wordt gedaan op de compenserende werking van het sympathisch zenuwstelsel in deze regio. Deze bloedvaten zullen ongeremd opzwellen, wat de extreme pijn veroorzaakt. De angst, wanhoop en dikwijls paniek welke personen met clusterhoofdpijn tijdens een aanval meemaken en de daardoor ontstane radeloze drang tot bewegen (men weet niet waar men het moet zoeken van de hoofdpijn) zorgen voor het nog meer oplopen van de bloeddruk en het verergeren van de clusterhoofdpijn.