Subito dopo l’origine dal plesso brachiale il nervo si porta verso il basso, decorrendo per un tratto al di dietro dell’arteria ascellare (la parte di arteria ascellare distale rispetto al muscolo piccolo pettorale). Il nervo penetra nella loggia posteriore del braccio, passando fra il capo mediale e il capo lungo del muscolo tricipite, al di sotto del margine inferiore del muscolo grande rotondo. Nella loggia osteo-fasciale posteriore del braccio si accompagna all'arteria omerale profonda, che gli si pone lateralmente. Insieme a quest'arteria decorre nel solco del nervo radiale dell'omero, in uno spazio delimitato dai capi mediale e laterale del muscolo tricipite che lo ricopre e protegge. A questo livello stacca rami per i muscoli della loggia posteriore del braccio e rami cutanei per braccio e avambraccio (nervi cutaneo laterale inferiore del braccio, cutaneo posteriore del braccio e cutaneo posteriore dell'avambraccio). Circondando ad elica l’omero il nervo prosegue verso il basso fino a raggiungere il lato laterale del braccio, 5 cm al di sotto della tuberosità deltoidea: qui trapassa il setto intermuscolare laterale per raggiungere il compartimento anteriore del braccio, decorrendo fra i muscoli brachiale (medialmente) e brachioradiale (lateralmente). Il nervo emette rami collaterali per due dei tre muscoli laterali dell'avambraccio (i muscoli brachioradiale ed estensore radiale lungo del carpo) quindi scende ancora verso il basso fino all’epicondilo laterale dell'omero, che attraversa, dove termina ramificandosi nei suoi due rami terminali, un ramo radiale superficiale ed un ramo radiale profondo che continuano nella fossa cubitale e poi nell'avambraccio.