Questa struttura a forma di lente biconvessa, è situata medialmente rispetto alla capsula interna. Questo nucleo riceve afferenze corticali e proietta verso molte altre strutture, ma in particolare verso il globo pallido (mediale e laterale). Riveste un ruolo chiave nella fisiologia dei nuclei della base. Il nucleo subtalamico fornisce essenzialmente l'eccitazione necessaria per attivare il globo pallido. Lesioni a questa area od alle sue connessioni efferenti od afferenti possono provocare emiballismo. La struttura stessa è regolatrice della funzione motoria ed è anche coinvolta in funzioni associative e limbiche. Tradizionalmente si è sempre pensato che il disordine fosse causato da lesioni al nucleo subtalamico, ma nuovi studi stanno dimostrando che anche danni ad altre aree del cervello possono essere responsabili di questo disturbo. Resta il fatto che l'emiballismo causato da lesioni nel nucleo subtalamico è più grave rispetto ad altre forme della malattia.