Die Ursachen von Katerkopfschmerzen sind bis heute noch nicht endgültig geklärt. Es werden mehrere ursächliche Mechanismen diskutiert, u.a.:

Schädliche Alkoholabbauprodukte
Beim Abbau von Alkohol (Ethanol) in der Leber durch verschiedene Enzyme entstehen Acetaldehyd sowie Essigsäure. Acetaldehyd scheint für die typischen Kater-Symptome mitverantwortlich zu sein. Aldehyde führen zu einer vermehrten Bildung von Sauerstoffradikalen, welche die Membranen der Zellen angreifen. Außerdem kann Acetaldehyd die Leber auf Dauer schädigen und schließlich zu einer Leberzirrhose führen. Als risikoarmer Konsum gelten für Frauen maximal 12 g reiner Alkohol (z.B. 0,25 l Bier), für Männer maximal 24 g reiner Alkohol pro Tag (dementsprechend z.B. 0,5 l Bier). An mindestens zwei Tagen pro Woche sollte gar kein Alkohol konsumiert werden. Flüssigkeits- und Mineralstoffverlust
Alkohol hemmt die Wirkung des Enzyms ADH, das für die vermehrte Rückgewinnung von Wasser aus der Niere verantwortlich ist. Dadurch scheidet der Körper verstärkt Flüssigkeit aus und es entsteht ein Wassermangel. Außerdem gehen bei dem Flüssigkeitsverlust auch wichtige Mineralstoffe wie Natrium, Kalium und Kalzium verloren. Fuselstoffe wie Methanol
Fuselstoffe können das Ausmaß eines Katers verstärken und finden sich insbesondere in farbigen Getränken wie Cognac oder Likören. Bei klaren Alkoholika, also z.B. Wodka, Rum oder Gin, kommt es dagegen seltener zu einem Kater. Methanol wird in der Leber zu Ameisensäure und dem giftigen Formaldehyd abgebaut, das für die Kopfschmerzen verantwortlich gemacht wird.