5-羟色胺（5-HT）是一种重要的单胺类神经递质，在体内分布广泛：约90%存在于胃肠道的肠嗜铬细胞中，其余分布在血小板（约8%）和脑组织（约2%）中。血液中的5-HT几乎全部储存于血小板的致密颗粒中，当血小板活化时释放，而血浆中游离的5-HT浓度极低。5-HT具有收缩平滑肌、升高体温和血压的作用，并作为中枢神经系统中的关键神经递质，调节情绪、睡眠、食欲等多种生理功能。在病理条件下，如胶原、免疫复合物、病毒、肾上腺素或利血平等刺激下，血小板结合的5-HT可被释放，参与血栓素释放等反应。
20世纪60年代，研究人员发现部分偏头痛患者在头痛发作期间，血液中的5-HT水平显著降低，而尿液中其代谢产物5-羟吲哚乙酸（5-HIAA）含量增加，提示5-HT可能在偏头痛发病中起重要作用。后续研究进一步证实，约85%的偏头痛患者在发作期血小板5-HT水平降低，尿中5-HT及其代谢产物增加。这些发现为5-HT参与偏头痛病理生理机制提供了关键证据。
脑内5-HT能神经元主要位于脑干的中脑中缝核，其功能不稳定被认为是偏头痛发作的核心机制之一。5-HT能神经的变化不仅局限于中枢神经系统，还分布于小肠的肠肌丛。当偏头痛发作时，肠道5-HT能神经功能失调，可能导致恶心、呕吐等胃肠道伴随症状。此外，5-HT能受体广泛分布于大脑皮质各区域，调节多种功能，这解释了偏头痛症状的多样性（如畏光、畏声、认知障碍等）。值得注意的是，5-HT能受体还可调节卵泡刺激素等性激素，从而解释偏头痛在妊娠、哺乳、月经、绝经等不同生理阶段症状改善或恶化的现象。
衰老过程中，5-HT能受体数量减少，这可能是偏头痛症状随年龄增长而减轻或消失的原因之一。此外，睡眠时偏头痛发作减轻或消失的临床常见现象，可能与中缝核5-HT能递质在睡眠时触发作用消失有关。