L'étiologie de l'algie vasculaire de la face est toujours inconnue et sa modélisation physiopathologique reste hypothétique. Néanmoins, considérant les caractéristiques cliniques de cette affection, le système trigémino-vasculaire, les afférences céphaliques du système nerveux autonome et l'hypothalamus sont les trois structures qui sont probablement impliquées dans cette physiopathologie. Le système trigémino-vasculaire et les afférences céphaliques du système nerveux autonome constitueraient un système effecteur dont la mise en jeu se traduirait essentiellement par une activation trigémino-parasympathique reposant sur des réflexes trigémino-parasympathiques intégrés au niveau du tronc cérébral. Cet effecteur serait sous le contrôle d'un générateur situé dans l'hypothalamus inféro-postérieur au niveau duquel des anomalies tant fonctionnelles (activation en tomographie d'émission de positrons) qu'anatomiques (augmentation de volume en résonance magnétique avec morphométrie basée sur le voxel) ont été mises en évidence. Ce modèle physiopathologique neurovasculaire pourrait être précisé par les données récentes de la recherche expérimentale et clinique : implication de la neuromédiation sérotoninergique, implication de la voie du monoxyde d'azote, possible susceptibilité génétique.