偏头痛的发病机制有较多的学说，这些学说涉及到血管、神经、神经通路、神经递质、自主功能、离子通道等方面。具体如下：
下面逐一介绍：
血管学说认为偏头痛是一原发性血管疾病。该学说认为发病机制分为三期。
麦角胺治疗有效是这一学说的支持点。但有研究发现，偏头痛不一定有血管扩张。
皮质扩散抑制（皮质扩展性抑制，CSD），也叫神经学说。该学说认为偏头痛是原发性神经功能紊乱性疾病。
该学说能较好的解释偏头痛的先兆症状，但不能解释为什么使用血管收缩药能缓解头痛。
三叉神经血管学说，颅内痛敏组织的周围神经纤维→三叉神经节（随三叉神经第一支进入）或者C1、C2脊神经节（入C1、C2后根后进入）→三叉神经血管复合体→换元后→脑干交叉投射→丘脑。
曲普坦类药物有效，支持该学说。
视网膜-丘脑-皮质机制，偏头痛患者发作前对光、声音、触觉、嗅觉等敏感，为支持点。
神经递质假说，基于血小板聚集的变化。
也有研究认为，跟血栓烷A（TXA）和前列环素（PGI）的局部平衡障碍有关（前驱期PGI相对↓、TXA相对↑，头痛期PGI相对↑、TXA相对↓）。其中TXA为血管收缩药、血小板聚集药物，PGI为血管扩张药、抑制血小板聚集药。
自主功能障碍，
离子通道障碍，
紧张、月经等诱发偏头痛，可能是激素对有缺陷的钙通道影响导致的。
其它学说：