偏头痛发病机制有数种理论，一般情况下，最先考虑到偏头痛发作，首先表现为颅内血管的萎缩，接着头痛期引起颅外血管扩张，并发现波动性头痛，与此同时，颅内血管亦有扩张的情形。
这是因为由于人在睡眠的过程中，会产生一个叫“内源性”旋转运动的感觉，而这种现象叫做位置性眩晕。当偏头痛发作的时候，血小板释放的五羟色胺对颅内小血管有直接影响，使到缩小，则有血管扩张，血管收缩作用丧失，并引发偏头痛等问题。另外一部分学者认为偏头痛发生原因主要是脑部受到了某种因素的刺激，导致大脑局部缺血缺氧，从而引发脑组织供血不足，最终导致脑供血减少或中断，进而产生一系列临床症状。而且有些理论认为偏头痛发作仍是中枢神经系统紊乱所致，与之相对应，某些血管性变化均继发神经。此外还有一种说法是由遗传因素决定的，这种说法可能是因为偏头痛的病因还包括了脑外伤或者其他脑部疾病等原因。在偏头痛的一些病人发作头痛的早期可出现情绪不稳，睡眠障碍等症状、植物神经功能紊乱的状况等。这些表现都是由于大脑神经递质分泌异常所致。并且可能存在某些神经介质，象一些脂类等物质代谢紊乱等。另外还有一些神经肽如组胺、乙酰胆碱以及去甲肾上腺素等也参与了这一过程中。偏头痛症状中仍以血管性头痛较常见些，其早期可由神经引起、血管与神经介质3者综合作用所致。