Migreny są spowodowane genetycznie uwarunkowanym zaburzeniem przetwarzania sensorycznego. Ta wrodzona, podwyższona wrażliwość na bodźce prowadzi do epizodycznych ataków migreny. Ma ona jednak również wpływ pomiędzy atakami. Układ nerwowy osoby cierpiącej na migrenę reaguje szczególnie wrażliwie na szybkie i nadmierne bodźce (np. stres, gniew, napięcie, hałas, światło) i nie jest w stanie odpowiednio chronić się przed przeciążeniem sensorycznym. Osoby cierpiące na migrenę nie adaptują się do powtarzających się bodźców, co jest typowe dla tej choroby. Zwiększona reaktywność mózgu prowadzi do ciągłego wzrostu aktywności mózgu, a w konsekwencji do deficytu energetycznego w komórkach nerwowych. Aktywność elektryczna kory mózgowej jest zaburzona lub całkowicie zanika. Nadmiernej aktywności skupisk komórek nerwowych towarzyszy niekontrolowane uwalnianie neuroprzekaźników. W rezultacie w naczyniach krwionośnych opon mózgowych rozwija się neurogenna reakcja zapalna. Prowadzi to do pulsującego, pulsującego bólu. Aktywność fizyczna nasila ból, dlatego zazwyczaj konieczne jest leżenie w łóżku. Inną konsekwencją jest aktywacja odruchów obronnych w postaci nudności i wymiotów. W przewlekłej migrenie sensytyzacja rozprzestrzenia się zarówno czasowo, jak i przestrzennie.