基底动脉的主要分支有小脑下前动脉、迷路动脉、脑桥动脉、小脑上动脉以及大脑后动脉等。

• 小脑下前动脉：自基底动脉起始段发出，向后外侧行至小脑下面，分为内侧支和外侧支，分布于小脑下面的前外侧部。

• 迷路动脉：从基底动脉下段发出，细长，伴随面神经和前庭蜗神经经内耳门入内耳道，供应内耳迷路。

• 脑桥动脉：起自基底动脉的细小分支，分为旁正中动脉、短环旋动脉和长环旋动脉3组，分布于脑桥基底部。

• 小脑上动脉：在脑桥上缘水平由基底动脉的末端发出，绕大脑脚向后转至小脑上面，分为内侧支和外侧支。内侧支分布于小脑蚓上部和前髓帆，外侧支分布于小脑半球上面，并与小脑下动脉吻合。小脑上动脉干发出分支穿入小脑，供应小脑髓质和齿状核。

• 大脑后动脉：基底动脉末端的两个分支，背侧丘脑、内侧膝状体、外侧膝状体、下丘脑和底丘脑的供血动脉。

基底动脉是脑桥、小脑和大脑后部重要的供血动脉，其大脑后动脉起始部与小脑上动脉之间夹有动眼神经，当颅内压增高时，海马旁会移至小脑幕切迹下方，使大脑后动脉向下移位，压迫并牵拉动眼神经，致动眼神经麻痹。