Gråhuvad sångare är en liten (10-11 cm), karakteristisk trädlevande sångare med lysande gul undersida som saknar både ögonring och vingband som andra liknande arter. Den har grått på hjässa, nacke och huvudsidor, mörkare grått ögonstreck och längsgående hjässband samt ett vitaktigt ögonbrynsstreck. Sången är en ideligen upprepad, kort och diskant fras: "ti-tsi-ti-wee-ti" eller "tsi-weetsi-weetsi-weetu-ti-tu". Bland lätena hörs ett klart "tyee-tyee" eller ett "psit-psit".
Gråhuvad sångare delas upp i fem underarter med följande utbredning:
Gråhuvad sångare förekommer i både städsegrön och lövfällande skog från 1065 till 2105 meters höjd. Den födosöker mycket aktivt halvhögt i träden på jakt efter nästan uteslutande spindlar och insekter, ofta i artblandade flockar. Fågeln häckar mellan mars och augusti och bygger ett kupolformat bo som placeras på marken, vari den lägger tre till fem rätt glansigt vita ägg.
Arten har ett stort utbredningsområde och en stor population med stabil utveckling och tros inte vara utsatt för något substantiellt hot. Utifrån dessa kriterier kategoriserar internationella naturvårdsunionen IUCN arten som livskraftig (LC). Världspopulationen har inte uppskattats men den beskrivs som vanlig och vida spridd i kärnområdet, men ovanlig i östra och västra delen av utbredningsområdet.
