腦動脈
脊椎動物的腦血流來自兩對動脈，包括椎動脈和頸內動脈各1對。左、右椎動脈從枕骨大孔進入顱腔匯成基底動脈，然后與后交通動脈、頸內動脈、前交通動脈會合形成大腦動脈環，由此環發出6條大腦動脈供血給大腦、腦干，從基底動脈發出1對到小腦的動脈，另外在椎動脈匯成基底動脈以前發出脊髓前動脈。頸內動脈供血到大腦半球兩側的前部和中部，椎動脈和基底動脈供血到小腦及大腦的枕葉和后窩。注入頸內動脈的血只供同側的大腦半球。兩大腦半球之間沒有血管交叉。因此當一側頸內動脈阻塞時，常只引起同側的腦缺血癥狀，特別在老人是如此。腦實質的動脈與身體其他部位類似大小的動脈相比，其組織結構的特點是肌層較薄，但彈性纖維較多，并有不同的排列形式。
腦毛細血管的內皮細胞之間聯系緊密，沒有其他組織毛細血管那樣的孔或窗。大約有80%左右腦毛細血管表面被周足所包圍。這些結構形成層層壁壘，使得腦毛細血管中血液的很多物質特別是脂溶性較低的大分子量物質如蛋白質、抗菌素、某些大分子染料等難以通過，而只允許大多數離子和葡萄糖等小分子物質通過，從而形成所謂的血腦屏障。
腦靜脈
與腦動脈相比，腦靜脈管壁較薄。與身體其他部位的靜脈不同，腦靜脈管壁中沒有靜脈瓣，靜脈血的回流依賴高位的勢能。腦靜脈血的回流路徑可以歸納為：大部腦靜脈血經腦深部靜脈和腦血竇流入頸內靜脈；小部腦靜脈血經眼部翼狀靜脈叢，進入靜脈到血管再到頭皮，最后流入椎管中的椎旁靜脈系統。腦靜脈系統有大量交通支靜脈叢，即使兩側頸內靜脈都被阻塞，大腦靜脈血仍可經椎靜脈和頸外靜脈系統完成其回流。