偏頭疼是原發性頭痛最常見的一種類型，初步認為是在腦部神經遞質紊亂前提下所產生的血管疾病。可能是某區域腦卒中出現異常放電，並且向周圍擴散，如果擴散到腦溝中以後，就會受到腦溝中血管阻攔，而不能前傳，稱為擴散性抑制。如果出現擴散性抑制之後，就會導致相應腦溝動脈劇烈痙攣，因此造成局部缺血。同時也是可以導致偏頭疼先兆，最常見的是視覺先兆，其它可以產生於感覺或者無力。在先兆之後是血管痙攣解除，由於腦組織具有缺血，因此腦部神經遞質釋放可以使血管擴張，因為不是正常擴張，而是過度擴張，此種情況稱為過度灌注期。

實際真正發生頭疼通常也是發生在過度灌注期，之後由於血管的擴張，並且血管劇烈的波動會產生血管性頭疼，可以認為是偏頭痛發生的機制，但對於具體原因，目前並不是特別的清楚。