Il nervo origina dal "nucleo del nervo abducente" del tegmento del ponte, emerge dal solco bulbopontino sopra le piramidi del bulbo e le sue fibre decorrono in avanti, in alto e lateralmente immerse nel liquido cefalorachidiano dello spazio subaracnoideo fino all'apice della rocca petrosa del temporale dove si immette nel seno cavernoso della dura madre. Posto lateralmente all'arteria carotide interna, percorre il seno cavernoso, dal quale fuoriesce per immettersi nella fessura orbitale superiore dello sfenoide, passando all'interno dell'anello tendineo comune dei muscoli dell'occhio. Nella cavità orbitale si dirige lateralmente, disponendosi poi sulla faccia mediale del muscolo retto laterale dell'occhio al quale si distribuisce.