Unutarnja karotidna arterija je krvna žila koja isporučuje oksigeniranu krv iz srca u mozak. Uparena žila s jednom s obje strane glave, to je grana veće zajedničke karotidne arterije, dok je druga grana vanjska karotidna arterija, koja opskrbljuje krvlju različite strukture na licu, glavi i vratu. Unutarnja karotidna arterija izlazi iz zajedničke karotide u vratu na približno visini gornje granice Adamove jabučice. Nakon prodiranja u glavu, grana se na nekoliko manjih arterija, među kojima su oftalmička arterija, prednja koroidna arterija, prednja cerebralna arterija, srednja moždana arterija i stražnja komunikacijska arterija.
Kao ogranak zajedničke karotidne arterije, unutarnja karotidna arterija može se pratiti do svog podrijetla na aorti. Najveća krvna žila u tijelu, aorta se uzdiže od srca i savija se na vrhu prsnog koša i formira luk aorte. Ovdje potječu lijeva i desna zajednička karotidna arterija, iako se desna zajednička karotida ne grana izravno od aorte nego od brahiocefalne arterije. Svaka strana zajedničke karotide penje se na svoju stranu vrata, a na visini četvrtog vratnog kralješka svaka se račva na vanjsku i unutarnju karotidnu arteriju, pri čemu je vanjska karotida najpovršnija od para, što znači da leži bliže koža.
Za razliku od vanjske karotide, koja tvori više grana na vratu odmah nakon što se odvoji od zajedničke karotide, unutarnja karotidna arterija nastavlja se uz vrat i ulazi u glavu iza kuta čeljusne kosti, samo duboko do uha, kao nepodijeljeni pritok. Ova posuda se može razvrstati u sedam jedinstvenih segmenata, pri čemu se neki segmenti granaju u druge posude, a drugi se uopće ne granaju. Na primjer, dio u vratu je cervikalni segment, također poznat kao C1, iako ovdje nema grana.
Ulaskom u glavu počinje petrozni segment unutarnje karotidne arterije ili C2. Ime je dobio po svom položaju unutar petroznog dijela temporalne kosti, dijela temporalne kosti u obliku piramide u lubanji, unutar kojeg se nalazi ulaz u ušni kanal. Nekoliko manjih grana unutarnje karotide nalazi se u C2, uključujući karotikotimpansku i vidijansku arteriju uha.
Iznad petroznog segmenta nalaze se segment laceruma, C3, koji ne tvori grane, i kavernozni segment, C4, koji tvori mnoge male pritoke. Nalazi se unutar kavernoznog sinusa, mreže sitnih krvnih žila, C4 stvara meningohipofizna i inferolateralna debla. Ove manje žile opskrbljuju strukture poput dura mater oko mozga i hipofize.
Posljednja tri segmenta su C5, C6 i C7, ili klinoidni, oftalmološki i komunikacioni dijelovi unutarnje karotidne arterije. Dok klinoidni segment nema dodatnih grana, oftalmološki i komunikacijski segmenti stvaraju glavne grane unutarnje karotide: oftalmičke i gornje hipofizne arterije u oftalmičkom segmentu; te stražnja komunikacijska, prednja koroidna, prednja cerebralna i srednja moždana arterija u komunikacijskom segmentu. Potonje dvije arterije su terminalne grane koje prodiru u mozak, što znači da unutarnja karotidna arterija završava tamo gdje se grana u prednju i srednju cerebralnu arteriju.