Migrenę zwykle rozpoznaje się na podstawie obrazu klinicznego, który jest bardzo charakterystyczny. To jednostronny (rzadziej obustronny lub naprzemienny) ból głowy, zlokalizowany za gałką oczną, w okolicy czołowej i skroniach, o dużym natężeniu i pulsującym, rozpierającym charakterze. Cechą znamienną jest
występowanie objawów towarzyszących: aury migrenowej (do 35% chorych), nudności, wymiotów i wrażliwości na bodźce zewnętrzne.
Rozpoznanie tego schorzenia jest ustalane na podstawie kryteriów klinicznych po wcześniejszym wykluczeniu wtórnych przyczyn bólu głowy [Headache Classification Committee of the International Headache Society [2013]. Z uwagi na podobieństwo migreny do wielu innych, nierzadko groźnych chorób, diagnoza musi być postawiona przez specjalistę neurologa. To właśnie brak właściwego rozpoznania jest często barierą dla prawidłowego leczenia przewlekłej migreny. Okazuje się bowiem, że tylko ok. 36% chorych spełniających kryteria rozpoznania migreny przewlekłej otrzymują taką diagnozę podczas konsultacji przez specjalistę z zakresu bólów głowy, a tylko ok. 16% takich chorych otrzymuje trafną diagnozę od lekarzy nie będących specjalistami z zakresu bólów głowy.
Poza w/w kryteriami klinicznymi rozpoznania migreny, w diagnostyce neurologicznej może zaistnieć konieczność wykonania badań neuroobrazowych (rezonans magnetyczny lub tomografia głowy), neurofizjologicznych (EEG, usg doppler tętnic wewnątrzczaszkowych w kierunku PFO) lub innych, o których decyduje lekarz.