Причины этих типов головной боли долгое время являлись предметом дискуссии: существовали две противоположных гипотезы — «периферическая» и «центральная». По информации, имеющейся на сегодня, источник кластерной головной боли находится в головном мозге. Активация гипоталамуса, наблюдаемая во время приступов ТВЦ при помощи функциональной нейровизуализации, а также положительный результат лечения при стимуляции гипоталамуса, проводимой с терапевтической целью, подтверждают ключевую роль заднего отдела гипоталамуса в патофизиологии этого типа головной боли. В настоящее время известно, что задний отдел гипоталамуса осуществляет регуляцию черепно-лицевой боли, активация гипоталамуса происходит также при других болевых расстройствах. Это позволяет предположить, что данная область головного мозга, по всей видимости, играет более сложную роль в патофизиологии ТВЦ, и эта роль не ограничивается ролью пускового фактора. Активация гипоталамуса может скорее быть частью механизма прекращения приступа, чем его запуска, усиливая одновременно состояние «центральной готовности» и, таким образом, делая возможным развитие приступа.