Ti metto un esempio che funziona con fancyhdr. Il discorso precedente vale solo se non usi fancyhdr.
Ecco il file main.tex`
\documentclass[12pt,twoside,a4paper]{book}
\usepackage[latin1]{inputenc}
\usepackage[T1]{fontenc}
\usepackage[english]{babel}
\usepackage{graphicx}
\usepackage[usenames]{color}
\usepackage{fancyhdr,lipsum}
\usepackage[sectionbib]{bibunits}
\usepackage[square,sectionbib,sort]{natbib}
\pagestyle{fancy}
\renewcommand{\chaptermark}[1]{\markboth{#1}{}}
\renewcommand{\sectionmark}[1]{\markright{\thesection\ #1}}
\fancyhf{}
\fancyhead[LE,RO]{\scshape\thepage}
\fancyhead[LO]{\bfseries\footnotesize\nouppercase{\rightmark}}
\fancyhead[RE]{\bfseries\footnotesize\nouppercase{\leftmark}}
\setlength{\headheight}{15pt}
\begin{document}
\bibliographyunit[\chapter]%ogni capitolo funziona come una bibunit
\input{capitolo.tex}
\end{document} `
Mentre capitolo.tex è
`
\chapter{capitolo}
\lipsum[1]
\lipsum
\renewcommand*{\bibname}{References}
\markboth{References}{References}%
\nocite{*}
\putbib[biblio]`
A me funziona bene.
Prova
Andrea