זהו כאב ראש שעשוי להיגרם ממספר כאבי ראש ראשוניים כמו מיגרנה או כאב ראש מתחי, ומופיע בדרך כלל שנים לאחר הופעת המחלה הראשונית.  אמנם רק חלק יחסית קטן מהחולים עם כאבי ראש יגיעו למצב זה, אך במרכזים לטפול בכאבי ראש הם מהווים חלק נכבד מהמטופלים.  חולים אלה סובלים מירידה תפקודית משמעותית כתוצאה מהכאב הכרוני. 

רבים מהם גם סובלים מחרדה ודכאון. תופעה שכיחה בחולים אלו היא צריכת יתר של תרופות לשכוך כאבים, דבר המחמיר את הכאב בסופו של דבר. הטפול בחולים אלה הוא מורכב ודורש עבודת צוות של הנוירולוג, פסיכולוג, דיאטנית ומומחים להפרעות שינה.  לעיתים יש צורך לטפל בחולים באופן זמני באשפוז, עם מתן תוך ורידי של תרופות. עם טפול מתאים חולים אלה יכולים לצאת ממצב של כאב כרוני ולהשתפר מאוד במצבם התפקודי.