สำหรับการวินิจฉัยอาการปวดหัว สิ่งสำคัญที่ช่วยให้แพทย์วินิจฉัยอาการได้อย่างแม่นยำคือการสอบถามประวัติทางการแพทย์ และอาการปวดหัวที่ผู้ป่วยเจอ ดังนั้น ผู้ป่วยควรสังเกตตนเองในเบื้องต้นและจดจำรายละเอียดของอาการผิดปกติที่เกิดขึ้น เช่น

อาการของปวดหัวเกิดขึ้นช่วงใดในระหว่างวัน
ความรุนแรงและช่วงเวลา
ปัจจัยที่กระตุ้นให้เกิดอาการปวดหัวได้ง่าย
กิจกรรมที่ทำแล้วมักเกิดอาการปวดหัวตามมา
ระยะเวลาในการนอนก่อนเกิดอาการ
สภาวะอารมณ์และจิตใจ
อาหารที่รับประทานในช่วง 24 ชั่วโมงแรกก่อนเกิดอาการ
วันที่เป็นประจำเดือนในกรณีที่เป็นผู้หญิง
ประวัติอาการปวดหัวของบุคคลในครอบครัว

หลังจากแพทย์ได้ซักถามประวัติทางการแพทย์และอาการปวดหัวของผู้ป่วย แพทย์จะตรวจร่างกายทั่วไป และตรวจคัดกรองทางห้องปฏิบัติการอื่น ๆ ตามดุลยพินิจของแพทย์ เช่น

การตรวจเลือด

เป็นการตรวจสารต่าง ๆ ในเลือดทางห้องปฏิบัติ เพื่อช่วยให้แพทย์ทราบข้อมูลที่เชื่อมโยงกับประวัติทางการแพทย์และการตรวจร่างกายของผู้ป่วยมากขึ้น โดยเฉพาะการติดเชื้อในสมองหรือกระดูกสันหลัง หลอดเลือดอักเสบ หรือสารพิษที่กระทบต่อระบบประสาทจนทำให้เกิดอาการปวดศีรษะขึ้น

การตรวจเอกซเรย์คอมพิวเตอร์บริเวณศีรษะ (Computerized Tomography: CT Scan)

หรือที่รู้จักกันในชื่อซีที สแกน เป็นการถ่ายภาพรังสีด้วยคอมพิวเตอร์ เพื่อตรวจหาความผิดปกติของอวัยวะต่าง ๆ เช่น ภาวะเลือดออก อาการบวม หรือเนื้องอกภายในสมองและกระโหลกศีรษะ รวมไปถึงภาวะสมองขาดเลือด เนื่องจากหลอดเลือดตีบ อุดตัน หรือหลอดเลือดแตก ในบางกรณีอาจใช้เทคนิคการฉีดสีเมื่อตรวจเส้นเลือดสมองเพื่อดูการโป่งพองของหลอดเลือด

การตรวจด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าบริเวณศีรษะ (Magnetic Resonance Imaging: MRI)

หรือการตรวจเอ็มอาร์ไอ โดยแพทย์จะใช้ตรวจดูโครงสร้างของสมองและเยื่อหุ้มสมอง วิธีนี้มีประสิทธิภาพในการวินิจฉัยโรคได้แม่นยำกว่าการตรวจซีที สแกน แต่มีราคาที่ค่อนข้างสูง มีบริการเฉพาะในโรงพยาบาลบางแห่งเท่านั้น และมีเงื่อนไขในการตรวจมากกว่า เช่น ผู้ที่ใส่อุปกรณ์ทางการแพทย์ที่มีส่วนประกอบเป็นโลหะในร่างกายไม่สามารถเข้ารับการตรวจได้ และใช้เวลาในการตรวจนานกว่าการตรวจซีที สแกน

การเจาะน้ำไขสันหลังหรือการเจาะหลัง (Lumbar Puncture)

โดยส่วนใหญ่ วิธีนี้จะทำหลังตรวจเอ็มอาร์ไอเมื่อตรวจไม่พบภาวะเลือดออก การบวม หรือเนื้องอกในสมอง โดยแพทย์จะเจาะน้ำในโพรงสมองและไขสันหลังจากบริเวณหลังส่วนล่างออกมาตรวจ