偏頭痛發病機制有數種理論，一般情況下，最先考慮到偏頭痛發作，首先表現為顱內血管的萎縮，接著頭痛期引起顱外血管擴張，并發現波動性頭痛，與此同時，顱內血管亦有擴張的情形。
這是因為由于人在睡眠的過程中，會產生一個叫“內源性”旋轉運動的感覺，而這種現象叫做位置性眩暈。當偏頭痛發作的時候，血小板釋放的五羥色胺對顱內小血管有直接影響，使到縮小，則有血管擴張，血管收縮作用喪失，并引發偏頭痛等問題。另外一部分學者認為偏頭痛發生原因主要是腦部受到了某種因素的刺激，導致大腦局部缺血缺氧，從而引發腦組織供血不足，最終導致腦供血減少或中斷，進而產生一系列臨床癥狀。而且有些理論認為偏頭痛發作仍是中樞神經系統紊亂所致，與之相對應，某些血管性變化均繼發神經。此外還有一種說法是由遺傳因素決定的，這種說法可能是因為偏頭痛的病因還包括了腦外傷或者其他腦部疾病等原因。在偏頭痛的一些病人發作頭痛的早期可出現情緒不穩，睡眠障礙等癥狀、植物神經功能紊亂的狀況等。這些表現都是由于大腦神經遞質分泌異常所致。并且可能存在某些神經介質，象一些脂類等物質代謝紊亂等。另外還有一些神經肽如組胺、乙酰膽堿以及去甲腎上腺素等也參與了這一過程中。偏頭痛癥狀中仍以血管性頭痛較常見些，其早期可由神經引起、血管與神經介質3者綜合作用所致。