叢集性頭痛屬于血管性頭痛之一。傳統(tǒng)的觀點認為CH與血管功能障礙有關(guān)。Horton氏認為此種類型頭痛與組織胺關(guān)系密切，它曾對此病患者在間歇期內(nèi)皮下注射組織胺試驗表明，60%的患者可誘發(fā)頭痛發(fā)作，并且血中組織胺之增高和消退均非常迅速，提示與急劇頭痛發(fā)作有關(guān)。 但是也有部分學說認為，頭面神經(jīng)因素也是引起發(fā)作的一個原因。

叢集性頭痛發(fā)作疼痛均發(fā)生在三叉神經(jīng)第1、2支分布區(qū)，提示與三叉神經(jīng)有關(guān)?？赡苋嫔窠?jīng)受到逆行性刺激，誘發(fā)P物質(zhì)和其他血管活性肽釋放，引起血管擴張而頭痛。

疼痛發(fā)作側(cè)的自主神經(jīng)癥狀，提示交感神經(jīng)興奮性降低，副交感神經(jīng)興奮性增高，說明自主神經(jīng)功能障礙在叢集性頭痛發(fā)病中起一定作用。

實驗發(fā)現(xiàn)眶上靜脈及海綿竇炎癥可能損害交感神經(jīng)纖維，引起自主神經(jīng)癥狀，因此，可以認為血管因素和神經(jīng)因素在頭痛發(fā)作中可能共同起作用。

叢集性頭痛發(fā)作有明顯周期性，有的像定時鐘一樣，每天幾乎在恒定的時間發(fā)作，因此有人提出叢集性頭痛可能存在中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙，如源于下丘腦后部調(diào)節(jié)自主神經(jīng)的神經(jīng)元功能障礙，下丘腦前部，如視上核與生物鐘節(jié)律有關(guān)的神經(jīng)功能紊亂。

生物鐘受5-HT調(diào)節(jié)，某些治療叢集性頭痛的藥物可加強5-HT能神經(jīng)傳導(dǎo)，提示有5-HT能神經(jīng)的功能障礙。

Gardner等（1947）提出了通過巖淺大神經(jīng)和蝶神經(jīng)節(jié)傳遞的副交感神經(jīng)陣發(fā)性放電假說。叢集性頭痛的自然發(fā)作周期可能與控制24h節(jié)律的下丘腦機理有關(guān)。