某些扩血管药物，如硝酸甘油，组胺，乙醇等可诱发丛集性头痛发作，而缩血管药物，如麦角胺，去甲肾上腺等可使之缓解，有研究发现丛集性头痛发作时痛侧海绵窦段大脑中动脉管径扩大，发作停止后变小，经颅多普勒检查，丛集性头痛发作时痛侧大脑中动脉平均血流速度明显高于对侧，也高于缓解期，而痛侧大脑前动脉流速低于对侧，热成像检查发现痛侧眶区散热增加，有人发现丛集性头痛丛集发作期眶上静脉及海绵窦有炎性改变，导致眼静脉回流障碍并激活疼痛神经纤维，引起眼痛，流泪，鼻塞，流涕等症状。
丛集性头痛发作疼痛均发生在三叉神经第1，2支分布区，提示与三叉神经有关，可能三叉神经受到逆行性刺激，诱发P物质和其他血管活性肽释放，引起血管扩张而头痛，疼痛发作侧的自主神经症状，提示交感神经兴奋性降低，副交感神经兴奋性增高，说明自主神经功能障碍在丛集性头痛发病中起一定作用，实验发现眶上静脉及海绵窦炎症可能损害交感神经纤维，引起自主神经症状，因此，可以认为血管因素和神经因素在头痛发作中可能共同起作用。
