片頭痛のメカニズムは現在でも完全には解明されていないが，以前は，頭部の血管が異常に拡張して頭痛が生じると考えられていた(血管説)。しかし，その後，片頭痛発作中の患者で¹³³Xe-CTやSPECT(single-photon emission computed tomography)を用いて脳血流を観察したところ，確かに脳血流の増加は認められたが，その時相は患者が頭痛を感じている時期とは明らかなずれが認められた¹⁾。その結果，血管説では頭痛発生が説明できないという考え方が優勢になり，片頭痛の原因は神経側にあるのではないかという概念が生じた(神経説)。片頭痛発作時の症状は，予兆，前兆，頭痛，後発症状の4つの時相(phase)に区分できる。機能画像を用いた研究結果から，予兆には視床下部機能異常が関与することが明らかにされている。