颈内动脉主要供应脑和视器，在颈部无分支，进入颅内后其主要分支如下：

眼动脉是颈内动脉在颅内的第一个重要分支。它自颈内动脉虹吸部的前内侧发出，与视神经一起经视神经管入眶，在眶内分支供应眼球、眼外肌、泪腺和眼睑等结构。其中，视网膜中央动脉是眼动脉的一个重要分支，它在眼球后方穿入视神经，前行至视神经盘处分为四支，即视网膜鼻侧上、下小动脉和视网膜颞侧上、下小动脉，营养视网膜内层，对于维持正常的视觉功能至关重要。

大脑前动脉是颈内动脉的终支之一。它在视交叉外侧由颈内动脉发出，向前内进入大脑纵裂，与对侧的大脑前动脉借前交通动脉相连，然后沿胼胝体沟向后行。大脑前动脉皮质支分布于顶枕沟以前的半球内侧面、额叶底面的一部分和额、顶两叶上外侧面的上部；中央支自大脑前动脉的近侧段发出，主要供应尾状核、豆状核前部和内囊前肢。

大脑中动脉是颈内动脉的直接延续，也是颈内动脉的最大分支。它向外行，进入外侧沟内，分为数条皮质支。大脑中动脉皮质支营养大脑半球上外侧面的大部分和岛叶，包括躯体运动中枢、躯体感觉中枢和语言中枢等重要功能区，因此一旦该动脉发生阻塞，可产生严重的功能障碍。其中央支又称豆纹动脉，垂直向上进入脑实质，主要供应尾状核、豆状核、内囊膝和后肢的前部，这些中央支在动脉硬化和高血压时容易破裂出血，导致严重的脑溢血，所以又有“出血动脉”之称。

后交通动脉是连接颈内动脉系和椎 - 基底动脉系的重要吻合支。它自颈内动脉发出后，向后走行与大脑后动脉吻合，在脑的血液供应平衡和侧支循环建立中发挥重要作用。当某一动脉发生阻塞时，后交通动脉可以在一定程度上维持脑的血液供应。

脉络丛前动脉较细小，沿视束下面向后外行，经大脑脚与海马旁回钩之间进入侧脑室下角，终止于脉络丛。它沿途发出分支供应外侧