Migreenileikkausta käytetään tyypillisesti viimeisenä keinona, kun muut hoitomenetelmät eivät ole onnistuneet, koska mihin tahansa kirurgiseen toimenpiteeseen liittyy mahdollisia komplikaatioita. Saatavilla on useita erilaisia migreenileikkauksia päänsärkyjen perimmäisestä syystä riippuen. Suosituimpia toimenpiteitä ovat valtimoleikkaus, ovaalin sulkeminen ja laukaisupaikan vapauttaminen. Selkäydinstimulaatio voi olla hyvä vaihtoehto niille, jotka kärsivät useista migreenikohtauksista kuukausittain. Mahdollisista erityiskysymyksistä tai huolenaiheista erilaisista migreenileikkauksista tai yksittäiseen tilanteeseen sopivimmasta menettelystä tulee keskustella lääkärin tai muun lääketieteen ammattilaisen kanssa.
Valtimoleikkaus on yleisimmin suoritettu migreenileikkaus, ja se on tarkoitettu tapauksiin, joissa yksi tai useampi kaulavaltimon haara on suurentunut. Kun nämä suonet korjataan kirurgisesti, useimmat potilaat kokevat kivun lievitystä ja niihin liittyvien migreenioireiden, kuten pahoinvoinnin ja valo- ja ääniherkkyyden, lakkaamista. Tämäntyyppisen toimenpiteen viillot sijoitetaan yleensä hiusrajaan niin, ettei näkyviä arpia ole ja vakavat komplikaatiot ovat harvinaisia.
Patentti foramen ovale sulkeminen on eräänlainen migreenileikkaus, jota käytetään, kun sydämessä on reikä synnynnäisen vian vuoksi. Tämän vian on osoitettu aiheuttavan kroonisia migreeniä, jotka eivät usein reagoi perinteisempiin hoitomenetelmiin. Tähän kirurgiseen toimenpiteeseen liittyy merkittäviä riskejä, koska sydämen kudoksen vahingoittuminen voi johtaa sydämenpysähdykseen tai kuolemaan.
Liipaisukohdan vapautuminen voidaan valita ensisijaiseksi migreenileikkaustyypiksi tilanteissa, joissa päänsärkyjen uskotaan johtuvan tulehtuneista tai vaurioituneista hermoista. Riippuen loukkaantuneista hermoista, laukaisukohdan vapauttaminen voi sisältää vahingoittuneen hermon irrottamisen kirurgisesti tai läheisen lihaksen leikkaamisen ja terveiden päiden kiinnittämisen uudelleen. Osittainen halvaus on yksi tämän toimenpiteen yleisimmistä komplikaatioista.
Selkäydinstimulaatio on varattu niille, jotka kärsivät vaikeasta migreenistä useita kertoja kuukaudessa eivätkä ole vastanneet muihin hoitovaihtoehtoihin. Selkäydinstimulaattorina tunnettu laite istutetaan kirurgisesti selkärangan peittävän ihoalueen alle ja on suunniteltu keskeyttämään kivusignaalit. Laite voidaan poistaa, jos tämä hoitomenetelmä ei tuota riittävää kivunlievitystä.