Zamršen sustav arterija opskrbljuje mozak kisikom koji mu je potreban za funkcioniranje. Unutarnje karotide i vertebralne arterije glavne su žile mozga koje opskrbljuju mozak krvlju. Ove arterije tvore krug poznat kao Willisov krug, koji je dobio ime po Thomasu Willisu, britanskom liječniku koji ga je otkrio. Willisov krug se nalazi u bazi mozga, gdje mu se pridružuju druge žile mozga. Ovaj arterijski sustav je dizajniran tako da ako dođe do začepljenja jedne arterije, protok krvi se može preusmjeriti na druge arterije.
Unutarnje karotidne arterije opskrbljuju krv prednjim dijelom mozga. Lijeva unutarnja karotida opskrbljuje krv lijevom dijelu mozga, a desna unutarnja karotida krv desnom dijelu. Kako svaka unutarnja karotidna arterija ulazi u lubanju, ona se dijeli na tri grane koje se spajaju na prednju moždanu arteriju, srednju moždanu arteriju i stražnju komunikacijsku arteriju.
Prednja moždana arterija opskrbljuje krvlju frontalnim režnjevima. Prednji režnjevi su dijelovi mozga koji kontroliraju osobnost, logično razmišljanje i voljni pokret. Srednja moždana arterija opskrbljuje krvlju dijelove frontalnog, parijetalnog i temporalnog režnja mozga. Ovaj vaskularni teritorij povezan je sa senzornim i motoričkim aktivnostima šake, ruke, grla i lica te utječe na govor.
Stražnja komunikacijska arterija opskrbljuje krvlju temporalne i okcipitalne režnjeve. Temporalni režanj kontrolira memoriju, jezik i slušnu obradu. Okcipitalni režanj kontrolira vid i odgovoran je za zadatke poput motoričke percepcije, prostorne obrade i razlikovanja boja.
Vertebralne arterije povezuju se s bazilarnim arterijama. Ove žile mozga opskrbljuju krvlju moždano deblo, stražnji dio velikog mozga i dio malog mozga. Moždano deblo koordinira pokrete na lijevoj i desnoj strani tijela. Veliki mozak je povezan s prosuđivanjem, percepcijom, donošenjem odluka, mišljenjem i maštom, a mali mozak kontrolira ravnotežu i kretanje.
Mozak zahtijeva stalan protok krvi kako bi njegova tkiva bila zdrava i podržavala živčana funkcija. Procjenjuje se da mozak koristi oko 25 posto kisika u tijelu i gotovo 20 posto krvi. Za razliku od drugih tjelesnih tkiva, mozak ne može skladištiti gorivo, pa mu je potrebna kontinuirana opskrba glukozom koju može osigurati stalna cirkulacija krvi. Žile mozga cirkuliraju krv kroz mozak kako bi osigurale da svi njegovi živci i stanice primaju hranjive tvari koje su im potrebne.