Liksom den större storhjärnan har lillhjärnan två hemisfärer. De cerebellära hemisfärerna är belägna på vardera sidan av ett litet område som kallas vermis som separerar de två hemisfärerna i mitten. Var och en av de cerebellära hemisfärerna är ytterligare uppdelad i fem lober. Djupa veck i lillhjärnan skiljer de tio loberna åt. Placerad i den nedre bakre delen av hjärnan, sitter lillhjärnan under storhjärnan och bakom pons.
Från utsidan kännetecknas de cerebellära hemisfärerna av täta, parallella veck. Detta skiljer sig från storhjärnan, som har stora ytveck som verkar invecklade. Lillhjärnans cortex är faktiskt ett kontinuerligt lager av hjärnvävnad som är tätt vikt mot sig själv. Även om de cerebellära hemisfärerna bara representerar tio procent av hjärnans volym, innehåller de fler neuroner än resten av hjärnan. Detta är möjligt på grund av lillhjärnans hårt vikta natur.
Belägna djupt inom var och en av de cerebellära hemisfärerna finns de djupa kärnorna. Alla utgående signaler skickas genom dessa kärnor. Cortex i de cerebellära hemisfärerna utvärderar inkommande meddelanden som överför sensoriska och andra data från storhjärnan. Finjustering av rörelsen koordineras av denna del av hjärnan när sensoriska meddelanden tas emot och signaler till musklerna skickas. Skador på lillhjärnan orsakar bristande koordination och timing av rörelser och andra problem, inklusive talproblem.
Funktionellt är lillhjärnan uppdelad i tre sektioner. Pontocerebellum består av större delen av lillhjärnans cortex. Skador på denna del av lillhjärnan visar sig vanligtvis som bristande koordination på samma sida av kroppen som skadan. Skada eller sjukdom i vestibulocerebellum kännetecknas av yrsel och en okoordinerad gång. Om spinocerebellum skadas av alkohol, skada eller sjukdom, blir gånggången stapplande och hållningen påverkas.
Flera störningar påverkar lillhjärnan. Spinocerebellär ataxi är ett degenerativt genetiskt tillstånd som kännetecknas av progressiv förlust av koordination. Över tio olika typer av spinocerebellär ataxi är kända, beroende på den specifika genmutationen som är involverad. Forskning har avslöjat ett samband mellan autism och en minskning av storleken på de cerebellära hemisfärerna. Stroke och hjärnskador påverkar också lillhjärnans funktion och resulterar i bristande kontroll över rörelsen.