Dokładny mechanizm nie jest znany. Jak już wspomniano, napady migreny mogą być spowodowane podrażnieniem zakończeń czuciowych nerwu trójdzielnego, unerwiającego różne obszary głowy. Lokalny skurcz mięśni mimicznych okolic czoła i oczu powoduje stan zapalny sąsiadujących gałązek nerwu trójdzielnego, który za pomocą różnych neuromediatorów przenosi się na ośrodkowy układ nerwowy wywołując napad bólu głowy. Uważa się, że najważniejsze mięśnie, których skurcz prowokuje napady migreny to mięśnie znajdujące się w okolicy międzybrwiowej (mięsień marszczący brwi i mięsień procowaty). Zablokowanie ich skurczu Botoxem zapobiega powstaniu opisanego wyżej stanu zapalnego prowadzącego do napadu migreny.
Należy podkreślić, że bóle głowy o podobnym do migreny charakterze, mogą być spowodowane różnymi chorobami, w związku z czym konieczna jest ich wcześniejsza diagnostyka lekarska. Botox stosowany jest wyłącznie w leczeniu bólów głowy na podłożu migreny!