Ett intrikat system av artärer förser hjärnan med det syre som den behöver för att fungera. De inre karotiderna och kotartärerna är hjärnans huvudkärl som förser hjärnan med blod. Dessa artärer bildar en cirkel som kallas Willis cirkel, som är uppkallad efter Thomas Willis, den brittiska läkaren som upptäckte den. Willis cirkel är belägen vid basen av hjärnan, där den förenas av andra kärl i hjärnan. Detta artärsystem är utformat så att om det finns en blockering i en artär kan blodflödet avledas till andra artärer.
De inre halspulsådrorna ger blod till framsidan av hjärnan. Den vänstra inre karotisen ger blod till den vänstra delen av hjärnan, och den högra inre halspulsåden ger blod till den högra delen. När varje inre halsartär går in i skallen delas den i tre grenar som ansluter till den främre hjärnartären, den mellersta cerebrala artären och den bakre kommunicerande artären.
Den främre cerebrala artären ger blod till frontalloberna. Frontalloberna är de delar av hjärnan som styr personlighet, logiskt tänkande och frivilliga rörelser. Den mellersta cerebrala artären förser delar av hjärnans frontal-, parietal- och temporallober med blod. Detta vaskulära territorium är förknippat med de sensoriska och motoriska aktiviteterna i handen, armen, halsen och ansiktet, och det påverkar talet.
Den bakre kommunicerande artären levererar blod till tinning- och nackloberna. Tempralloben styr minne, språk och auditiv bearbetning. Occipitalloben kontrollerar synen och ansvarar för uppgifter som motorisk perception, rumslig bearbetning och färgdiskriminering.
De vertebrala artärerna ansluter till de basilära artärerna. Dessa kärl i hjärnan levererar blod till hjärnstammen, den bakre delen av storhjärnan och en del av lillhjärnan. Hjärnstammen koordinerar rörelser på vänster och höger sida av kroppen. Storhjärnan är förknippad med omdöme, perception, beslutsfattande, tanke och fantasi, och lillhjärnan styr balans och rörelse.
Hjärnan kräver ett konstant flöde av blod för att hålla sina vävnader friska och för att stödja nervfunktionen. Man har uppskattat att hjärnan använder ungefär 25 procent av syret i kroppen och nästan 20 procent av blodet. Till skillnad från andra kroppsvävnader kan hjärnan inte lagra bränsle, så den behöver den kontinuerliga tillförseln av glukos som konstant blodcirkulation kan ge. Hjärnans kärl cirkulerar blod i hela hjärnan för att säkerställa att alla dess nerver och celler får de näringsämnen de behöver.