Sinh lý bệnh của đau nửa đầu Migraine được cho là hội chứng đau thần kinh mạch máu với sự thay đổi quá trình xử lý thông tin của các nơ ron thần kinh trung ương (kích hoạt các nhân của thân não, tăng khả năng kích thích của vỏ não và ức chế vỏ não lan toả) và sự tham gia của hệ thống thần kinh mạch máu (kích hoạt sự giải phóng neuropeptide, gây viêm đau trong các mạch nội sọ và màng cứng).