颈内动脉依据其走行，可以分为四部分。分别为颈部(颈动脉分叉与颅底之间)、岩部(颞骨岩部的颈动脉管内)、海绵窦部(在海绵窦内)以及大脑部。

颈部

颈内动脉的颈部起始于颈总动脉的分叉，向咽的后外侧壁走行，期间不发出任何分支。颈内动脉与迷走神经、颈内静脉一起伴行至颅底外表面，然后颈内动脉通过颈动脉管入颅骨。

岩部

颈内动脉在骨性管道内走行部分被称为岩部。这部分在颈动脉管内上升，继之向前内侧弯曲(颈动脉膝部)，进而上升进入颅腔。颈内动脉岩部的重要分支包括走行至鼓室的颈鼓动脉。

海绵窦部

颈内动脉的海绵窦部位于海绵窦内，通常有两个血管弓。位于前床突处的血管弓有一个明显的前凸，此处颈内动脉与颈内动脉大脑部的起始部共同形成了颈动脉虹吸部。海绵窦部的分支供应硬脑膜周围、三叉神经节的血供，以及通过垂体下动脉供应神经垂体的血供。

大脑部

颈内动脉的大脑部起始于前床突的内侧，并于该处穿孔于硬脑膜。第一个分支是眼动脉，其与视神经一起走行进入眼眶并发出分支供应眼、眼外肌和眼的附属结构。颈内动脉的大脑部通常向后发出后交通动脉，连接椎动脉的分支。下一个分支是脉络膜前动脉。颈内动脉分出两个粗大的终末支为大脑前动脉和大脑中动脉，均供应较大范围端脑的血供。

颈内动脉若出现狭窄，则会导致相关眼病。主要表现为一过性黑曚、视网膜动脉阻塞；慢性期主要有静脉淤滞性视网膜病变，慢性眼缺血综合征，甚至引起新生血管性青光眼而致盲。各种眼缺血性疾病可以表现出由轻到重的多种症状，短暂性缺血发作时，常见单眼或双眼一过性黑曚，可伴视力下降视野缺损；缺血严重而持续时，可出现永久性视力损伤。