La fisiopatologia delle cefalee primarie è ancora più difficile da determinare rispetto alle cefalee secondarie. Sebbene il meccanismo che porta a emicrania, cefalea a grappolo e cefalea tensiva non sia ancora ben compreso, vi sono state diverse teorie nel corso del tempo che tentano di fornire una spiegazione di ciò che accade esattamente nel cervello. Una delle più antiche teorie è conosciuta come teoria vascolare ed è stata formulata a metà del XX secolo. Tale teoria è stata proposta da Wolff e riteneva la vasocostrizione intracranica come l'evento responsabile per l'aura di emicrania. Il mal di testa è stato creduto di derivare dalla successiva ripresa della dilatazione dei vasi sanguigni che porta alla attivazione dei nervi nocicettivi perivascolari. Gli sviluppatori di questa teoria hanno preso in considerazione i cambiamenti che si verificano all'interno dei vasi sanguigni al di fuori del cranio, quando si verifica un attacco di emicrania e altri dati che erano disponibili a quel tempo, tra cui l'effetto dei vasodilatatori e vasocostrittori sul mal di testa.