偏头痛发作的血管源学说是解释偏头痛发病机制的重要理论之一。该学说认为，各种诱因通过影响脑血管功能，导致偏头痛的临床表现。Wolff等学者提出，典型偏头痛发作前，颅内动脉先发生收缩，引起局部脑血流减少，从而出现视觉改变、感觉异常或轻偏瘫等先兆症状；随后颅内、外动脉扩张，引发头痛。

然而，不同研究对偏头痛发作时脑血管变化的观察结果并不一致。Goltman在1例开颅手术患者偏头痛发作时，直接观察到颅内血管扩张。Thie等对1例典型偏头痛发作期进行脑血管造影，却发现所有动脉口径相对较小。Olson等对11例典型偏头痛发作时的脑血管造影则未发现明显变化。Lauritzen等采用133Xe-SPECT技术观察，发现12例普通偏头痛发作时局部脑血流（rCBF）无异常，而11例典型偏头痛中有8例在先兆症状相应侧半球的rCBF比对侧平均减少17%，这种低灌注可持续至头痛期4～6小时，但未观察到rCBF增加的脑区。发作间歇期检查，两类偏头痛均无异常，仅1例在脑岛发现小的低灌注区。Andersen等应用133Xe-SPECT观察偏头痛发作开始后的rCBF，发现3例无异常，2例仅局部灌注减低，7例典型偏头痛在先兆症状相关半球后部rCBF比对侧降低19%时出现头痛，当头痛减轻或搏动性消失时转为高灌注，rCBF比对侧平均增高19%，其中2例高灌注持续24小时。Olsen等通过颈动脉内注射133Xe诱发典型偏头痛，以254探头γ照相机发现脑后部CBF可降低达20ml/(100g·min)，局部低灌注可持续至先兆症状消失后数小时。Olesen等测量典型偏头痛发作全过程的rCBF，观察到发作前枕部已存在低灌注，rCBF平均降低25%～30%，并逐渐向前扩展至额部，持续于整个头痛期4～6小时。Kobari等应用133Xe增强的CT测定局部脑血流，发现缓解期10例均正常，6例普通偏头痛和6例典型偏头痛在发作开始后30分钟至8小时（先兆症状已消失而正头痛时），两侧局部脑血流普遍增加，可高出缓解期25%～35%，以额、颞皮层和丘脑最显著，枕部增高不显著，两型偏头痛间无区别。秦震等应用经颅多普勒（TCD）对10例普通偏头痛患者检查，发现头痛缓解期多数患者显示两侧或个别颅底大动脉流速异常增快；3例的5次偏头痛发作时，均显示脑血流速度异常增快和宽频杂音。Thie等对1例典型偏头痛和1例偏头痛等位发作时的TCD检查也有同样发现。秦震等对2例普通偏头痛进行99mTc-SPECT检查，发现分别于顶偏后皮层和颞叶存在低灌注。

综上所述，偏头痛发作时，相当一部分患者可出现脑血流减少、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。但这些变化与头痛类型、先兆或头痛发作间并无恒定关系。有些变化以后头部为著，有的以前头部为著。同一作者报告的异常发现并不都见于全部所观察的同类患者，部分患者在头痛间歇期也存在局部低灌注区或脑血流速度增快。因此，偏头痛与脑血管功能异常之间的关系尚待进一步阐明。

偏头痛发作时还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，提示血浆中的5-HT很快被降解并从尿中排出。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扩张。小动脉收缩造成脑组织缺血，产生先兆或其他神经系统损害症状；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、血管弛缓激肽等神经肽类物质一起使血管壁痛阈降低，导致动脉的“无菌性炎症”。血管扩张合并“无菌性炎症”造成偏头痛的临床症状。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，能诱发偏头痛患者的头痛发作；5-HT阻断剂（如二甲麦角新碱、苯噻啶）被应用于预防偏头痛发作。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MAO有关。

许多实验证实，偏头痛患者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。这种交互作用产生大量儿茶酚胺、AA及TXA2，具有强力收缩血管及减少脑血流的作用。前列腺素E1可使从无偏头痛者产生头痛。雌激素能增加前列腺素的合成，因此有些妇女服用高雌激素避孕药会诱发偏头痛发作。