顱內痛覺敏感組織如腦血管、腦膜血管、靜脈竇，其血管周圍神經纖維和三叉神經可能是偏頭痛發生生理基礎和痛覺傳導通路。電刺激三叉神經節后能導致硬膜血管無菌性炎癥。偏頭痛的三叉神經血管反射學說，認為偏頭痛是三叉神經傳入纖維末梢釋放P物質(SP)及其他神經遞質，傳出神經作用于顱內外血管，引起頭痛和血管擴張。與三叉神經系統相關的最主要的神經肽是降鈣素基因相關肽（CGRP），其次是P物質(SP)、神經激肽A（NKA）。 P物質是傳遞并降低痛閾的神經遞質，與神經激肽A (NKA)有協同作用，而降鈣素基因相關肽（CGRP）具有較強的擴血管作用，通過擴張血管而引起頭痛。