L'arteria carotide interna vascolarizza gran parte dell'emisfero cerebrale, l'occhio e gli organi accessori, la fronte e in parte il naso. Origina a livello dell biforcazione carotidea ove presenta un seno. Ascende al davanti dei processi trasversi delle prime tre vertebre cervicali e si porta all'apertura del canale carotideo, situato nella parte petrosa dell'osso temporale. Entra così nel cranio e si dirige anteriormente attraverso il seno cavernoso nel solco carotideo, lateralmente al corpo dell'osso sfenoide. Termina al di sotto della sostanza perforata anteriore nei due rami terminali, le arterie cerebrale anteriore e media.A livello cervicale, l'arteria si presenta inizialmente cervicale nel triangolo carotideo e successivamente si approfonda medialmente al ventre posteriore del muscolo digastrico. Lateralmente ad essa si trovano vena giugulare e nervo vago. La carotide esterna si trova dapprima in posizione anteromediale per poi portarsi via via lateralmente. Posteriomente raggiunge il longus capitis, con interposto tra essi il ganglio cervicale simpatico superiore. Il nervo laringeo superiore la incrocia posteriormente. Medialmente giace la parete faringea, con vene e tessuto adiposo a separare l'arteria dal nervo laringeo superiore e dall'arteria faringea ascendente. Anterolateralemente la carotide interna è ricoperta dal muscolo sternocleidomastoideo. A livello del digastrico, la incrociano il muscolo stiloioideo e i nervi occipitale e auricolare posteriore. Sopra il digastrico è separata dalla carotide esterna da parte del processo stiloideo, dai muscoli stiloglosso e stilofaringeo, dal nervo glossofaringeo e dal ramo faringeo del nervo vago, da parte profonda della ghiandola parotide. A livello del base cranio, i nervi glossofaringeo, vago, accessorio e ipoglosso giacciono tra l'arteria e la vena giugulare interna che si trova qui in posizione posteriore. La sua lunghezza varia a seconda della lunghezza del collo e dell'altezza della biforcazione. Può originare a livello dell'arco aortico e ascendere medialmente rispetto alla carotide esterna per poi portarsi posteriormente ad essa a livello della laringe. La porzione cervicale è normalmente diritta, ma può presentarsi anche molto tortuosa, nel qual caso giace molto più prossima a faringe e tonsilla. Anche la sua assenza è stata documentata in alcuni casi. La carotide interna non dà origine a rami collaterali nel suo tragitto cervicale.