Nors suklysti diagnozuojant klasterinį galvos skausmą sunku, nustatant diferencinę diagnozę reikia atsižvelgti į kelias galimybes.
Pasikartojantį vienos pusės galvos skausmą gali sukelti migrena net su tos pačios pusės autonominiais simptomais (ypač ištikus stipriam priepuoliui). Konkretaus paciento klasterinio galvos skausmo periodiškumas dažnai būna stereotipinis, o priepuolių trukmė trumpa (45–90 min.), palyginti su migrenos priepuoliais (4–72 val.). Be to, klasterinis galvos skausmas beveik visada apima tik vieną pusę, dažnai priepuoliai įvyksta naktį, gali kartotis kelis kartus per dieną ir paprastai nėra susiję su aura, pykinimu arba vėmimu.
Trišakio nervo neuralgija  pasireiškia paroksizminiais smūginiais vienos pusės skausmo tvinksniais, kuriuos dažniausia riboja antroji ir (arba) trečioji trišakio nervo dalis ir retai riboja periorbitalinė sritis. Skausmą galima sukelti stimuliuojant tam tikras veido odos arba burnos gleivinės dalis. Kiti sutrikimai, į kuriuos reikėtų atkreipti dėmesį, yra kaklo ir galvos smegenų kraujagyslių (miego arba stuburo) disekacija, sinusitas, glaukoma, kaukolės vidaus  aneurizmos, navikai, arterinės-veninės anomalijos ir net nugaros smegenų navikai (meningiomos) arba infarktas. Tačiau daugeliu šių atvejų trūksta būdingo priepuolių ir ramybės laikotarpių periodiškumo, tyrimais nustatyta anomalijų arba nėra reakcijos į gydymą įprastais vaistais.
Be to, yra pirminio galvos skausmo sindromų, kurie labai panašūs į klasterinį galvos skausmą, pvz., lėtinė arba epizodinė paroksizminė hemikranija, SUNCT sindromas ir ilgalaikė hemikranija.
Visi šie sutrikimai vadinami trišakio nervo autonominėmis cefalgijomis, nes skausmo impulsus perduoda trišakis nervas ir pasireiškia susiję autonominiai simptomai. Tai atskiras trumpalaikis epizodinis intensyvus vienos pusės akiduobės ir smilkinio galvos skausmas, susijęs su stipriais tos pačios pusės autonominiais simptomais. Šie sindromai gali būti susiję su naktiniais priepuoliais.
Klasterinis galvos skausmas ir SUNCT sindromas yra vieninteliai galvos skausmo sutrikimai, kuriais labiau linkę sirgti vyrai. SUNCT sindromo klinikiniai simptomai panašūs į trišakio nervo neuralgiją (trumpą duriantį skausmą), tačiau paroksizmai trunka šiek tiek ilgiau (30–120 sekundžių), dažniausiai arba labiausiai skauda periorbitalinę sritį (V1), o autonominiai simptomai ir požymiai dažnai būna labai stiprūs.
Palyginti su klasteriniu galvos skausmu, šie sutrikimai paprastai būna dažnesni, o atskirų priepuolių trukmė trumpesnė. Šių sutrikimų santykis yra atvirkštinis: kuo dažnesni priepuoliai, tuo trumpesnė jų trukmė. Svarbu atskirti klasterinį galvos skausmą nuo kitų paroksizminių hemikranijų, nes reakcija į gydymą būna skirtinga.Paroksizminę hemikraniją ir ilgalaikę hemikraniją dažnai labai stipriai veikia indometacinas, tačiau SUNCT sindromu sergantiems pacientams indometacinas arba įprasti vaistai nuo klasterinio galvos skausmo nepadeda. Užfiksuota, kad daliai SUNCT sindromu sergančių pacientų padėjo karbamazepinas, lamotriginas, gabapentinas arba topiramatas.