原因ははっきりとは明らかになっていないが、脳の視床下部という場所に関係しているといわれている。視床下部が刺激されると、頭部の目の奥の辺りにある三叉（さんさ）神経が痛みを感じる。そのため、三叉神経の辺りの血管が拡張され、三叉神経がつながっている目の奥の辺りに激痛が起こる。頭痛の誘発原因としては、アルコールの過剰摂取やタバコ、気圧の急激な変化、不規則な時間帯の睡眠などが挙げられており、群発期にはこれらの要因を回避するように勧められている。
毎日ほぼ同じ時間帯に、一定の周期で激しい頭痛の発作が現れるのが特徴。特に睡眠後の夜間に起こることが多い。群発頭痛は激痛で、「目玉がえぐられるような痛み」と表現する患者もいるほどだ。あまりの痛みに落ち着きがなくなり、始終興奮するようになるなど性格まで変わったり、精神疾患を疑ったりすることもある。多くは左右いずれかの一側性で、目の奥だけでなく、目の周囲、前頭部、側頭部、頬まで痛む場合もある。また目の充血、涙、鼻詰まり、鼻水などを伴うことも多い。発作が起こる時期とそうでない時期を周期的に繰り返すことが多いのも特徴。10年以上にわたって半年から3年おきに発症し、一度始まると1、2ヵ月間毎日続く。
頭痛の起こり方など、臨床症状から診断が可能。鑑別の基準としては、①一側性の重度の頭痛であること②15分から3時間程度持続すること③結膜の充血、鼻水・鼻詰まり、顔面の発汗、落ち着きがないといった症状が見られること④発作に周期性があることなどが挙げられる。この疾患と同じく激しい痛みと反復性が特徴の疾患に三叉神経痛があるが、これは発作の持続時間が数秒から数十秒程度であるのに対し、群発頭痛では数分以上とはるかに長いことから、見分けることができる。また頭痛はくも膜下出血や髄膜炎など、重大な脳疾患が原因のこともあるため、それを除外する目的で頭部CT、MRI検査などが実施される。
飲酒やタバコなどが発作の誘因になるとされているため、発作の起こりやすい期間は禁酒を守り、禁煙を心がけることが大切。また、気圧の急激な変化も頭痛を引き起こすことがある。