偏头疼的病因目前尚不清楚，但可能与下列因素有关：
(1)遗传因素，由于约60%的患者可问出家族史，部分病人家庭中有癫痫病人，故专家认为该病与遗传有关，但尚无一致的遗传形式。
(2)内分泌因素，血管性偏头疼多见于青春期女性，在月经期发作频繁，妊娠时发作停止，分娩后再发，而在更年期后逐渐减轻或消失。
(3)饮食因素，经常食用奶酪、巧克力、刺激性食物或抽烟、喝酒的人均易患血管性偏头疼。
(4)其它因素，情绪紧张、精神创伤、忧虑、焦虑、饥饿、失眠、外界环境差以及气候变化也可诱发偏头疼。
具体解释：
病因不清，约50%病人有家族史。女性病员偏头疼倾向在月经来潮前发作，怀孕后发作减少，提示发病可能和内分泌或水潴留有关。精神紧张、过度劳累、气候骤变、强光刺激、烈日照射、低血糖、应用扩血管药物或利血平、食用高酪胺食物酒精类饮料，均可诱发偏头疼发作。
各种诱因怎样引起偏头疼发作，大体可根据为血管源学说和神经源学说。Wolff等以血管源学说解释偏头疼的临床表现。典型偏头疼先有颅内动脉收缩，局部脑血流减少，引起视觉改变、感觉异常或轻偏瘫等先兆症状，继而颅内、外动脉扩张，出现头痛。
各家采用不同方法对偏头疼病人发作时进行的观察却未能发现颅内血管变化与头痛间的恒定关系。Goltman在1例开颅手术病人偏头疼发作时，见到颅内血管扩张。Thie等在1例典型偏头疼发作期的脑血管造影却发现所有动脉的口径都相对较小，而Olson等在11例典型偏头疼发作的脑血管造影又都无变化。Lauritzen等以133Xe-SPECT观察，12例普通偏头疼发作时的rCBF无异常，11例典型偏头疼发作时有8例在先兆症状相应侧半球的rCBF比对侧相应区平均减少17%，持续见于头痛期4～6个小时。都未见到rCBF增加的脑区。于发作间歇期的检查，两类偏头疼都无异常发现，仅1例于脑岛发现小的低灌注区。Andersen等应用133Xe-SPECT观察偏头疼发作开始后的rCBF，3例无异常，2例仅局部灌注减低，7例典型偏头疼在先兆症状相关半球后部rCBF比对侧降低19%时出现头痛，当头痛已很轻或头痛搏动性消失时转为高灌注，rCBF比对侧平增增高19%，其中2例的高灌注持续24小时。Olsen等应用颈动脉内注射133Xe诱发典型偏头疼，以254探头γ照相机发现脑后部CBF可降低达20ml/(100g·min)，局部的低灌注可持续至先兆症状消失后几个小时。Olesen等测量了典型偏头疼病人发作全过程的rCBF，观察到发作前于枕部已存在低灌注，rCBF平均降低25～30%并逐渐向前扩展达额部，持续于整个头痛期的4～6小时。Kobari等应用133Xe增强的CT测定局部的脑血流（1CBF），缓解期的10例都正常，6例普遍偏头疼和6例典型偏头疼在发作开始后30分至8小时，先兆症已消失而正头痛时，两侧1CBF普遍增加，可高出缓解期25%～35%，以额、颞皮层和丘脑为最显著，枕部的增高则与缓解期差别不显著。两型偏头疼间无区别。秦震等应用经颅多普勒（TCD）对10例普遍偏头疼病人的检查，发现在头痛缓解期多数病人显示两侧或个别颅底大动脉流速异常增快。3例的5次偏头疼发作时，都显示脑血流速度的异常增快和宽频杂音。Thie等在1例典型偏头疼和1例偏头疼等位发作时的TCD检查，也有同样的发现。秦震等对2例普遍偏头疼的99mTc-SPECT检查，发现分别于顶偏后皮层和颞叶存在低灌注。
因此，偏头疼发作时在相当一部分病人可见到脑血流或少、增多或先减少后增多，脑血流速度异常增快，脑血管扩张或口径变小。但是这些变化与头痛类型、先兆或头痛发作间并无恒定的关系。有些变化以后头部为著，也有的变化却以前头部为著。同一作者报告的异常发现并不都见于全部所观察的同类病人，一部分病人在头痛间歇期也存在局部低灌注区或脑血流速度的增快。总之，偏头疼与脑血管功能异常之间的关系尚待进一步阐明。
偏头疼发作时尚出现一系列生化改变。在先兆期，血浆5-羟色胺（5-HT）含量可有短暂的增高；头痛发作时尿中5-HT的代谢物，5-羟吲哚乙酸（5-HIAA）可明显增加。这提示血浆中的5-HT很快被降解而从尿中排出。5-HT对平滑肌有双相作用，血浆5-HT降低引起小动脉收缩及较大动脉的扩张。小动脉收缩造成脑组织缺血，产生先兆或其他神经系损害症状；大动脉扩张引起头痛。部分5-HT漏出到血管周围的细胞外液中，与组胺、缓激肽、血管驰缓激肽等神经肽类物质一起使血管壁痛阈降低及导致动脉的“无菌性炎症”。血管扩张合并“无菌性炎症”造成偏头疼的临床症状。5-HT主要贮存在血小板内，当血小板聚集性增高或存在5-HT释放因子时，血小板5-HT含量突然下降同时呈现临床发病。某些药物（如利血平）有释放和耗竭5-HT作用，能诱发偏头疼患者的头痛发作；5-HT阻断剂（如二甲麦角新碱、苯噻啶）被应用于预防偏头疼发作。头痛发作期单胺氧化酶（MAO）活性降低可能和5-HT降解时消耗大量的MAO有关。
许多实验证实，偏头疼病人的血小板比正常人的更易聚集。血小板聚集后能释放5-HT、ADP、组胺、肾上腺素、去甲肾上腺素、花生四烯酸（AA）及血栓烷A2（TXA2）等物质，这些物质又能进一步促使血小板聚集。这样交互作用就产生大量的儿茶本酚胺、AA及TXA2，有强力收缩血管及减少脑血流作用。前列腺素E1可使从无偏头疼者产生头痛。雌激素能增加前列腺素的合成，有些妇女服用高雌激素避孕药会诱发偏头疼发作。
但是影响全身的广泛性血管调节机制障碍和许多生化改变，为什么只引起头部痛？为什么多数头痛发作是偏侧性的？有时是左右交替的？
神经源学说认为偏头疼的发源地在中枢神经系统，内分泌改变及血管舒缩障碍是一种继发现象，即偏头疼的血管性发现是继发于神经中枢的“释放”。偏头疼呈现的各种复杂症状是大脑皮质功能紊乱的结果，可能是下丘脑/间脑的兴奋阈下降而引起头痛发作。
含有甲肾上腺素5-HT的神经元支配某些头颅血管，它们的细胞体分别位于脑干的蓝斑及缝际核。精神紧张、焦虑、疲劳或其他因素导致脑干神经元兴奋及递质释放增多，引起头颅血管运动改变，脑缺血及血管的“无菌性炎症”，刺激血管内三叉神经末梢的伤害感受器，传入脑内产生痛感。另外，三叉神经末梢能释放血管活性物质（血管扩张和致病性肽类，P物质）到校大的颅内外血管。
