叢集性頭痛比較嚴重的一種血管性頭痛。病因不明，傳統(tǒng)的觀點認為叢集性頭痛與血管功能障礙有關(guān)。發(fā)病機制尚未完全清楚。通過臨床的一系列檢查，初步可知：

有研究發(fā)現(xiàn)叢集性頭痛發(fā)作時痛側(cè)海綿竇段大腦中動脈管徑擴大，發(fā)作停止后變小。經(jīng)顱多普勒檢查，叢集性頭痛發(fā)作時痛側(cè)大腦中動脈平均血流速度明顯高于對側(cè)，也高于緩解期，而痛側(cè)大腦前動脈流速低于對側(cè)。

熱成像檢查發(fā)現(xiàn)痛側(cè)眶區(qū)散熱增加。有人發(fā)現(xiàn)叢集性頭痛叢集發(fā)作期眶上靜脈及海綿竇有炎性改變，導(dǎo)致眼靜脈回流障礙并激活疼痛神經(jīng)纖維，引起眼痛、流淚、鼻塞、流涕等癥狀。

叢集性頭痛患者痛側(cè)顳部皮膚肥大細胞增多，其活性增強，該細胞能合成和釋放某些血管活性物質(zhì)，如組胺、5-HT等。據(jù)此提出叢集性頭痛發(fā)病與組胺有關(guān)，但確切機制，因果關(guān)系并不清楚。

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。