Sistem arteri yang rumit memasok otak dengan oksigen yang dibutuhkannya untuk berfungsi. Karotis internal dan arteri vertebralis adalah pembuluh utama otak yang memasok darah ke otak. Arteri ini membentuk lingkaran yang dikenal sebagai lingkaran Willis, yang dinamai Thomas Willis, dokter Inggris yang menemukannya. Lingkaran Willis terletak di dasar otak, di mana ia bergabung dengan pembuluh otak lainnya. Sistem arteri ini dirancang agar jika terjadi penyumbatan pada salah satu arteri, maka aliran darah dapat dialihkan ke arteri lainnya.
Arteri karotis interna menyediakan darah ke bagian depan otak. Karotis interna kiri memberikan darah ke bagian kiri otak, dan karotis interna kanan menyediakan darah ke bagian kanan. Saat setiap arteri karotis interna memasuki tengkorak, ia terbagi menjadi tiga cabang yang menghubungkan ke arteri serebral anterior, arteri serebral tengah dan arteri komunikans posterior.
Arteri serebri anterior memberikan darah ke lobus frontal. Lobus frontal adalah bagian otak yang mengontrol kepribadian, pemikiran logis, dan gerakan sukarela. Arteri serebral tengah memasok darah ke bagian frontal, parietal dan lobus temporal otak. Wilayah vaskular ini dikaitkan dengan aktivitas sensorik dan motorik tangan, lengan, tenggorokan, dan wajah, dan itu memengaruhi bicara.
Arteri komunikans posterior mensuplai darah ke lobus temporal dan oksipital. Lobus temporal mengontrol memori, bahasa dan pemrosesan pendengaran. Lobus oksipital mengontrol penglihatan dan bertanggung jawab untuk tugas-tugas seperti persepsi motorik, pemrosesan spasial, dan diskriminasi warna.
Arteri vertebralis terhubung ke arteri basilar. Pembuluh darah otak ini memasok darah ke batang otak, bagian belakang otak besar dan bagian dari otak kecil. Batang otak mengoordinasikan gerakan di sisi kiri dan kanan tubuh. Otak besar dikaitkan dengan penilaian, persepsi, pengambilan keputusan, pemikiran dan imajinasi, dan otak kecil mengontrol keseimbangan dan gerakan.
Otak membutuhkan aliran darah yang konstan untuk menjaga jaringannya tetap sehat dan untuk mendukung fungsi saraf. Diperkirakan bahwa otak menggunakan sekitar 25 persen oksigen dalam tubuh dan hampir 20 persen darah. Tidak seperti jaringan tubuh lainnya, otak tidak dapat menyimpan bahan bakar, sehingga membutuhkan pasokan glukosa yang terus menerus yang dapat disediakan oleh sirkulasi darah yang konstan. Pembuluh darah otak mengedarkan darah ke seluruh otak untuk memastikan bahwa semua saraf dan sel menerima nutrisi yang mereka butuhkan.