熱中症によって引き起こされる激しい頭痛の背景には、体内の水分と塩分（ナトリウム）が急速に失われる複合的な脱水メカニズムが存在します。
大量の発汗によって血液中の水分が奪われると、血液の粘度が高まり、全身の血流が滞ります。人間の身体は、過熱した体内から熱を逃がそうと皮膚や頭部の末梢血管を過剰に拡張させます。このとき、脳を取り巻く血管が急激に広がることで周囲の神経を刺激し、拍動に合わせた「ズキズキ」「ガンガン」という強い痛みを引き起こすのです。
加えて、体内の電解質バランスが乱れると、浸透圧の差によって細胞内外の水分移動に異常が生じ、軽度の脳浮腫（脳のむくみ）をきたすこともあります。この状態は脳圧を上昇させ、締め付けられるような頭痛や強い倦怠感の原因となります。
通常の片頭痛や肩こりからくる緊張型頭痛とは異なり、熱中症の頭痛は「身体が冷却と水分補給を渇望している危険信号」に他なりません。「薬を飲んでも頭痛が治らない」と焦って鎮痛剤を追加服用する行為は、火に油を注ぐ極めて危険な行動です。
