A vascularização encefálica provém de duas artérias vertebrais e duas artérias carótidas internas, que estão situadas, após saírem da região cervical e adentrar a cavidade craniana, dentro do espaço subaracnóideo. As quatro artérias anastomosam-se na face inferior do encéfalo, formando o círculo arterial do cérebro (polígono de Willis). O círculo arterial do cérebro localiza-se na fossa interpeduncular na base do cérebro e é um arranjo quase pentagonal de vasos. 

     Em seu trajeto pelo pescoço, a artéria carótida comum bifurca-se em artéria carótida externa e interna. A artéria carótida interna ascende verticalmente através do pescoço, perfurando a base do crânio e atravessando o canal carótico do osso temporal. Ela posiciona-se horizontalmente para a frente seguindo através do seio cavernoso e emergindo no lado medial do processo clinoide anterior ao perfurar a dura-máter. Ao perfurar a aracnoide-máter, ela entra no espaço subaracnóideo e volta-se posteriormente até a extremidade medial do sulco lateral do cérebro.  

     As artérias carótidas internas direita e esquerda dividem-se, então, nas artérias cerebrais anterior e média. Porém, pouco antes da bifurcação, as artérias carótidas internas são unidas às artérias cerebrais posteriores pelas artérias comunicantes posteriores, completando o polígono de Willis. Já a artéria comunicante anterior une as artérias cerebrais anteriores, que se curvam para trás sobre o corpo caloso e, finalmente, anastomosa-se com a artéria cerebral posterior. Sendo assim, as artérias carótidas internas e seus ramos costumam ser responsáveis pela circulação anterior do encéfalo.  

    O menor ramo terminal da artéria carótida interna, a artéria cerebral anterior, emite ramos corticais que suprem toda a face medial do córtex cerebral em direção posterior até o sulco parieto-occipital e que, também, suprem uma faixa do córtex. E seus ramos centrais perfura a substância perfurada anterior e ajuda a suprir partes dos núcleos lentiforme e caudado e a cápsula interna.  

    Já o maior ramo da carótida interna, a artéria cerebral média, segue lateralmente no sulco lateral do cérebro. Seus ramos corticais suprem toda a face lateral do hemisfério, exceto pela estreita faixa suprida pela artéria cerebral anterior, o polo occipital e a face inferolateral do hemisfério, que também são supridos pela artéria cerebral posterior. E seus ramos centrais entram na substância perfurada anterior e suprem os núcleos lentiforme e caudado e a cápsula interna. 

    Além disso, quando a artéria carótida interna deixa o seio cavernoso, origina-se a artéria oftálmica. Ela é responsável por suprir o olho e outras estruturas orbitais, e seus ramos terminais suprem a área frontal do couro cabeludo, os seios etmoidais e frontais e o dorso do nariz. 

    O ramo da primeira parte da artéria subclávia é a artéria vertebral. E esta é dividida em três partes. As partes transversárias das artérias vertebrais ascendem no pescoço atravessando os forames nos processos transversos das seis vértebras cervicais superiores. As partes atlânticas das artérias vertebrais entram no crânio através do forame magno e perfuram a dura-máter e aracnoide-máter para alcançar o espaço subaracnóideo. Já as partes intracranianas das artérias vertebrais unem-se na margem caudal da ponte para formar a artéria basilar. Esse sistema arterial vertebrobasilar e seus ramos é responsável pela circulação posterior do encéfalo. 

    Antes de se unirem, as partes intracranianas das artérias vertebrais emitem ramos. Os pequenos ramos meníngeos suprem o osso e a dura-máter na fossa posterior do crânio. As artérias medulares são, também, ramos muito pequenos, que se distribuem ao bulbo. O maior ramo dessa parte é a artéria cerebelar inferior posterior, que segue um trajeto irregular entre o bulbo e o cerebelo e supre a face inferior do verme do cerebelo, os núcleos centrais cerebelares e a face inferior do hemisfério cerebelar; também supre o bulbo e o plexo corióideo do quarto ventrículo. A artéria espinal anterior é formada a partir de dois ramos, um de cada artéria vertebral próximo à sua terminação. E, por fim, a artéria espinal posterior pode originar-se da artéria vertebral ou da artéria cerebelar inferior posterior.  

       A artéria basilar, formada pela união das duas artérias vertebrais, assim denominada em face de sua íntima relação com a base do crânio, ascende até o clivo, a face inclinada do dorso da sela até o forame magno, através da cisterna pontocerebelar até a margem superior da ponte. Termina dividindo-se em duas artérias cerebrais posteriores. 

    A artéria basilar emite vários ramos. Os primeiros deles são as artérias da ponte, numerosos vasos pequenos que penetram a substância da ponte. A artéria cerebelar inferior anterior parte da artéria basilar e segue posterior e lateralmente, suprindo as partes anterior e inferior do cerebelo e alguns ramos dirigem-se à ponte e parte superior do bulbo. A artéria do labirinto é uma artéria longa e estreita que acompanha os nervos facial e vestibulococlear no meato acústico interno e supre a orelha interna. Ela pode ser ramo da artéria basilar, como também da artéria cerebelar inferior anterior. A artéria cerebelar superior nasce próximo à terminação da artéria basilar e curva-se ao redor do pedúnculo cerebral, suprindo a face superior do cerebelo, a ponte, a glândula pineal e o véu medular superior.  

    A artéria cerebral posterior, que também é um ramo da artéria basilar, curva-se lateralmente e para trás ao redor do mesencéfalo e recebe o ramo comunicante posterior da artéria carótida interna. Seus ramos corticais suprem as faces inferolateral e medial do lobo temporal e as faces lateral e medial do lobo occipital. E seus ramos centrais perfuram a substância cerebral e suprem partes do tálamo e do núcleo lentiforme, bem como o mesencéfalo, a glândula pineal e o corpo geniculado medial. Um ramo corióideo entra no corno temporal do ventrículo lateral e supre o plexo corióideo; também supre o plexo corióideo do terceiro ventrículo.  

    A drenagem venosa encefálica ocorre pelas veias cerebrais e cerebelares que saem do encéfalo e seguem no espaço subaracnóideo. Perfuram a aracnoide-máter e a camada meníngea da dura-máter e terminam nos seios venosos da dura-máter mais próximos, que drenam, em sua maior parte, para as veias jugulares internas. 

   As veias cerebrais externas seguem para cima sobre a face lateral do hemisfério cerebral e deságuam no seio sagital superior. A veia cerebral superficial média drena a face lateral do hemisfério cerebral e segue inferiormente no sulco lateral, desembocando no seio cavernoso. A veia cerebral profunda média drena a ínsula e se junta às veias cerebrais anteriores e estriadas formando a veia basilar. A veia basilar junta-se finalmente à veia cerebral magna, que por sua vez drena para o seio reto.  

    Existem duas veias cerebrais internas, e elas são formadas pela união da veia tálamo-estriada e veia corióidea no forame interventricular. As duas veias seguem posteriormente na tela corióidea do terceiro ventrículo e unem-se embaixo do esplênio do corpo caloso para formar a veia cerebral magna, que deságua no seio reto.