Migrenin patofizyolojisi, trigeminal sinir dediğimiz 5. Kranial sinirin ve onunla ilişkili beyin damarlarından oluşan trigeminovasküler sistemin adlandırdığımız sistemin aktivasyonunu ile başlar. Bu sinirden oluşan duyusal nöronlar, büyük beyin damarları, beyin zarlarının ve büyük venöz sinüsleri innerve eder. Bu sistemin aktivasyon P maddesi, kalsitonin geni ile ilişkili peptit ve nörokinin A dediğimiz maddelerini salınımına neden olur. Bu maddelerin salınımı, nörojenik inflamasyona neden oluyor. Damarlar genişliyor, dolgunluk oluşuyor ve bu da bu sinirin alanında ağrı şeklinde algılanıyor.
Migren aynı zamanda östrojen hormonu yoksunluğuyla en sık ilişkili baş ağrısı türüdür. Bu nedenle Östrojen düzeyindeki değişiklere neden olabilecek menstruasyon, oral kontraseptiv kullanımı ile sık ilişkilidir.
Östrojen seviyelerindeki değişiklikler (artışlar veya azalmalar) migren dahil baş ağrılarını tetikleyebilir. Östrojen seviyelerindeki değişiklikler biyolojik süreçlerden (ör. adet görme, hamilelik ve menopoz) veya eksojen hormonların kullanımından (ör. hormon içeren kontraseptifler, tüp bebek) kaynaklanabilir. Migren östrojenden en çok etkilenen baş ağrısı türüdür.