In questa porzione del suo decorso, l'arteria è sita tra lo sdoppiamento della dura madre che forma il seno cavernoso, ma è coperta dalla membrana di rivestimento del seno. Inizialmente ascende verso il processo clinoideo posteriore, successivamente passa oltre il corpo dello sfenoide e curva nuovamente in alto, sul lato mediale del processo clinoideo anteriore, perforando così la dura madre della volta del seno. La curva nel segmento cavernoso è denominata "sifone carotideo". Questa porzione dell'arteria è circondata da filamenti del tronco simpatico e lateralmente ad essa decorre il VI nervo cranico.