頸內動脈在第4椎體平面分出，頸內動脈先在頸外動脈的後外側上行，後轉至頸外動脈的後內側沿咽側壁達顱底。
進入頸動脈管後走行於顱底骨性結構內，穿過硬膜環進入顱內。
Bouthillier 將頸內動脈分7個解剖段。
一、頸動脈C1 頸段。
頸段起於頸總動脈分叉水平，終止於顳骨岩部的頸動脈管顱外口，為頸內動脈各段最長的一段。
這段頸內動脈同位於其外側的頸內靜脈和後外側的迷走神經共同位於頸動脈鞘內。
在鞘內，頸內動脈周圍環繞以含脂肪的結締組織、靜脈叢和節後交感神經。
頸段幾乎不發出分支動脈，較少見到本該起源於頸外動脈的一些迷走動脈或胚胎期殘留動脈。如咽升動脈主幹或分支，甲狀腺上動脈，枕動脈，腦膜後動脈，永存舌下動脈，永存鐙骨動脈和前環椎間動脈-Ⅰ型。
C1段起始部有頸動脈竇，為壓力感受器。
二、頸動脈C2岩段。
這段頸內動脈位於頸動脈管內，起於頸動脈管顱外口，終止於破裂孔後緣。
岩段頸內動脈在頸動脈管骨膜內行走，周圍繞以結締組織、靜脈叢和節後交感神經。
岩段依其行走方向可分為三部∶垂直部、彎曲部（頸內動脈後彎）及水平部（向前、向內行走），如倒”L”形。
C2岩段常發出3條分支動脈∶頸鼓室動脈、翼管支及骨膜支、罕見原始三叉動脈及原始聽動脈。
①頸鼓室動脈：起自岩骨頸動脈管垂直段末端，進入鼓室。 與腦膜中動脈的分支鼓室上動脈，顎內動脈的分支鼓室前動脈，咽升動脈的分支鼓室下動脈及枕動脈的分支莖乳突動脈存在廣泛的吻合。
②翼管支：起於頸內動脈進入翼管供應相應區血運，與顎內動脈的分支-翼管動脈吻合。
③原始三叉動脈：是頸內動脈-基底動脈吻合支的胚胎殘餘動脈，血管攝影出現率為0.1%至0.2%。
原始聽動脈自岩段發出，在內耳道伴隨顏面神經及聽神經走行。
三、頸動脈C3破裂（孔）段。
破裂段起於頸動脈管末端，動脈越過孔部，但不穿過這個孔，在破裂孔的垂直管內上升，向海綿後竇，止於岩舌韌帶上緣。
岩舌韌帶是頸動脈管骨膜的延續，連結前方蝶骨小舌和後方的岩尖之間。
此韌帶以遠，頸內動脈進入海綿竇。
破裂段頸內動脈四周為結締組織、靜脈從及節後交感神經。
C3段常發出破裂孔返動脈∶自頸內動脈破裂段前壁發出向下內走行，與咽升動脈吻合，血管造影很少顯示。
四、頸動脈C4 海綿竇段。
此段始於岩舌韌帶上緣，止於近側硬膜環。
這段頸內動脈主要行走於海綿竇內，四週為結締組織、脂肪、靜脈叢及節後交感神經。
海綿竇段依其行走方向可分為垂直部、後彎、水平部和前彎。
近側硬膜環是由前床突的內、下面骨膜結合形成的，該環不完整地圍繞著頸內動脈。
C4段有3條分支動脈自頸內動脈海綿竇段發出∶腦膜垂體幹、海綿竇下外側幹及包膜動脈。
①腦膜腦下垂體幹起源於海綿竇段水平部或彎部，有3個主要分支。
小腦幕緣支，沿小腦幕緣向後外側走行至切跡頂。
斜坡支，向內、後方走行，供應斜坡和鞍背。
腦下垂體下動脈，向前內側走行至腦下垂體溝，供應腦下垂體後葉、蝶鞍和海綿竇的硬膜。
兩側的腦膜腦下垂體幹均有豐富的吻合。
②海綿竇下外側幹，起於頸內動脈鞍旁下外側面，主要供應海綿竇內腦神經和硬膜的血運，主要分支為圓孔支，供應三叉神經血運，並與眼動脈、 顎內動脈、腦膜副動脈和腦膜中動脈有廣泛的吻合。
③包膜動脈，由頸內動脈內側壁發出，血管攝影很難顯示，主要供應蝶鞍前壁的硬腦膜。
五、頸動脈C5床突段。
此段起於近側硬膜環，止於遠端硬膜環。 床突段短，長約 4至6mm，是頸內動脈最短的一段。
斜行於外側前床突和內側頸動脈溝之間，由於近、遠端硬膜環在後方海綿竇頂部融合在一起，因此床段呈楔形。
床段C5屬於硬膜外結構。
六、頸動脈C6 眼段。
此段起於遠端硬膜環，止於後交通動脈起點的近側。
頸內動脈穿過遠端硬膜環後，即進入硬膜內，因此遠端硬膜環是頸內動脈硬膜內、外部分的分界線。
這段頸內動脈常發出兩支重要動脈，即眼動脈和腦下垂體上動脈。
眼動脈是出海綿竇的第一個分支，一般自頸內動脈內側發出，變異時可從腦膜動脈發出。
眼動脈常分為眼組（視網膜中央動脈、睫狀動脈），眶組（淚腺動脈、眼肌動脈）及眶外組（篩前、後動脈、滑車上動脈、鼻背動脈及眶上動脈） 。
眼動脈與頸外動脈的分支有豐富的吻合支。
眶上動脈-腦膜中動脈;鼻背動脈-顏面動脈;淚腺動脈-顳前深動脈（顎內動脈）;篩前動脈-蝶腭動脈（顎內動脈）。
腦下垂體上動脈在眼動脈至後交通動脈之間，頸內動脈後內側發出 1至7支穿支，造影不易顯現。
腦下垂體上動脈主要分佈於腦下垂體柄、視交叉、乳頭體前區及視束，及對側同名動脈吻合。
七、頸動脈C7交通段。
交通段起於緊靠後交通動脈起點的近側，止於頸內動脈分叉處。
此段頸內動脈依序發出後交通動脈及脈絡膜前動脈。
後交通動脈起於頸內動脈交通段，與大腦後動脈的最近端吻合，構成Willis 環的外側面，有時缺如。
後交通動脈上、外側發出4至12支穿支動脈，供應下視丘後部、前部、底部及內囊後支。 當此動脈粗大時在其起始部可形成漏斗狀擴張，易誤診為動脈瘤，如其直徑≤3mm，應視為正常，最主要的吻合支是基底動脈-大腦後動脈。
脈絡膜前動脈從頸內動脈交通段後壁發出，起源與後交通動脈相近，在鞍上池和腳間池內向後方走行，從外向內跨越視束走向外側膝狀體，經脈絡膜裂入側腦室 下角向脈絡叢供血。
脈絡膜前動脈供應視束、外側膝狀體、鉤回、大腦腳基底前1/3、丘腦、尾狀核、內囊前聯合和蒼白球背部，與大腦後動脈發出的脈絡後動脈相交通 。