偏头痛的发病机制目前尚不完全明确，有关的几个学说如下：

研究发现，偏头痛发作期患者血小板中5-羟色胺浓度下降，而尿中5-羟色胺代谢物5-羟色胺羟吲哚乙酸增加。脑干中5-羟色胺能神经元及去甲肾上腺素能神经元可调节颅内血管舒缩。

在偏头痛患者体内可检测到由三叉神经所释放的降钙素基因相关肽，而降钙素基因相关肽为强烈的血管扩张药。学者认为三叉神经分布于涉痛区域，偏头痛可能就是一种神经源性炎症。

中脑水管周围及第四脑室室底灰质含有大量与镇痛有关的内源性阿片肽类物质，正常情况下，这些物质通过对疼痛传入的调节而起镇痛作用。多数报道显示偏头痛患者脑脊液或血浆中β-内啡肽或其类似物降低，提示偏头痛患者存在内源性疼痛控制系统障碍。

自主功能障碍很早即引起了学者们的重视。瞬时心率变异及心血管反射研究显示，偏头痛患者存在交感功能低下。24小时动态心率变异研究提示，偏头痛患者存在交感、副交感功能平衡障碍。

偏头痛患者具有肯定的家族聚集性倾向，遗传因素最明显，偏瘫型偏头痛家族基因缺陷与19号染色体标志点有关，或者家族性偏瘫型偏头痛存在基因的变异。

偏头痛的视觉先兆是由于皮质神经元活动由枕叶向额叶的扩布抑制造成的，血管痉挛更像是视网膜性偏头痛的始动原因，一些患者经历短暂的单眼失明，于发作期检查，可发现视网膜动脉的痉挛，并且对抗血管痉挛剂有反应。