Krew tętnicza dopływa do mózgu ludzkiego głównie za pośrednictwem czterech tętnic: dwóch tętnic szyjnych wewnętrznych oraz dwóch tętnic kręgowych. Z połączenia tętnic kręgowych powstaje tętnica podstawna mózgu. Tętnice szyjne wewnętrzne i tętnica podstawna mózgu tworzą koło tętnicze mózgu, od którego odchodzi sześć dużych naczyń, dostarczających krew do kory mózgu. Krew żylną odprowadzają z mózgu żyły głębokie oraz zatoki opony twardej, które uchodzą przede wszystkim do żył szyjnych wewnętrznych. W niewielkim stopniu, krew jest odprowadzana z mózgu za pośrednictwem splotów żył ocznych oraz skrzydłowych. Ściany naczyń włosowatych mózgu zbudowane są z śródbłonka. Swoją budową przypominają one bezokienkowe naczynia włosowate zaopatrujące inne części ciała, w tym mięśnie. Naczynia włosowate występujące w mózgu otoczone są przez stopki końcowe, powstałe z wypustek atrocytów.
Naczynia krwionośne mózgu unerwiane są za pośrednictwem neuronów współczulnych zazwojowych, neuronów cholinergicznych oraz neuronów czuciowych.
Komory mózgowe oraz przestrzeń pomiędzy oponami rdzeniowo mózgowymi wypełniona jest płynem mózgowo rdzeniowym. Objętość płynu mózgowo rdzeniowego u ludzi wynosi 150 ml. Wymieniany jest on średnio 3,7 razy na dobę. Poprzez otwór pośrodkowy w komorze czwartej, płyn ten wpływa do przestrzeni znajdującej się poniżej opony pajęczej. Stamtąd jest wchłaniany za pośrednictwem kosmków pajęczynówki. W małym stopniu, płyn mózgowo rdzeniowy przechodzi na drodze dyfuzji do naczyń krwionośnych mózgowia. Funkcją opon i płynu mózgowo-rdzeniowego jest ochrona mózgowia przed uszkodzeniami mechanicznymi. Na zewnątrz znajduje się opona twarda. Jest ona sztywna, bogato unaczyniona i bezpośrednio przylega do kości czaszki. W środku znajduje się opona pajęcza. Poniżej opony pajęczej znajduje się opona miękka, która jest bogato unaczyniona i przylega bezpośrednio do tkanki nerwowej. Mózgowie na powietrzu waży 1400 gram, a zanurzone w płynie mózgowo-rdzeniowym-50 gram. Mózgowie zawieszone jest na delikatnym rusztowaniu, utworzonym z naczyń krwionośnych opony pajęczej i pni nerwowych. Dzięki temu mózgowie może pływać, zanurzone w płynie rdzeniowym.
Wyniki badań pokazują, że tylko woda, dwutlenek węgla i tlen przechodzą swobodnie z krwiobiegu do mózgowia. Transport innych substancji jest utrudniony, ponieważ muszą one pokonać barierę krew-mózg w postaci śródbłonka naczyń krwionośnych oraz nabłonka splotów naczyniówki. Naczynia włosowate zaopatrujące mózgowie noworodka łatwiej przepuszczają substancje, niż te same naczynia u dorosłych, ponieważ bariera krew-mózg, wykształca się w ciągu najwcześniejszych lat życia. Szybkość przenikania określonej substancji z krwiobiegu do mózgowia jest wprost proporcjonalna do jej rozpuszczalności w lipidach i odwrotnie proporcjonalna do wielkości jej cząsteczek. Obecność bariery krew-serce zapewnia utrzymanie stabilnego środowiska dla neuronów budujących centralny układ nerwowy. Ponadto bariera krew-mózg chroni mózgowie przed szkodliwym wpływem endo- i egzogennych substancji toksycznych krążących w ustroju. Ponadto, dzięki tej barierze, substancje, będące neurotransmiterami nie dostają się do krwiobiegu.
Prawo Ficka zakłada, że przepływ krwi przez jakiś narząd można określić na podstawie ilości substancji, która została przez ten narząd usunięta z krwiobiegu, w określonym czasie. Następnie otrzymaną wartość dzieli się przez różnicę, którą uzyskujemy odejmując od wartości określającej stężenie tej substancji w krwi płynącej tętnicą wchodzącą do tego narządu, wartość, określającą stężenie tej substancji w krwi, płynącej żyłą, opuszczającą ten narząd. Wyliczona w ten sposób średnia wartość przepływu przez mózg wynosi 54ml/100g/min. Biorąc pod uwagę masę mózgu, wynoszącą 1400 gram, można wyliczyć całkowitą wartość przepływu krwi przez mózg. Wynosi ona 756ml/min.
Przepływ krwi przez mózgowie odznacza się pewną szczególną właściwością. Istnieje mianowicie zależność pomiędzy przepływem krwi przez daną część mózgowia, a zmianą czynności tej części. U pozostających w spoczynku, lecz czuwających ludzi, największy przepływ notuje się w okolicy przedruchowej, która występuje w czołowej części kory mózgowej. U rozmawiającego człowieka, obustronnie wzrasta przepływ krwi przez pola, odpowiadające za ruchową reprezentację twarzy. Gdy osoba praworęczna wykonuje zadania werbalne, wzrasta przepływ krwi przez lewą półkulę mózgu. Natomiast jeśli osoba praworęczna wykonuje zadania przestrzenne, wzrasta przepływ krwi przez prawą półkulę mózgu.
Wartość określająca ciśnienie perfuzyjne mózgu, podzielona przez wielkość przepływu krwi przez mózg, to tak zwany opór naczyń krwionośnych mózgu. Można go wyznaczyć, mierząc średnie ciśnienie tętnicze krwi przepływającej przez tętnicę ramienną badanego. Podczas tego pomiaru, badany znajduje się w pozycji leżącej.
Krążenie mózgowe podlega ścisłej kontroli. Dzięki temu, niezależnie od warunków, całkowity przepływ krwi przez mózg ma stosunkowo stałą wartość. Na całkowity przepływ krwi przez mózg wpływają takie czynniki jak ciśnienie żylne i tętnicze, lepkość krwi oraz siła skurczu i rozkurczu tętniczek mózgowych.
Mózgowie, wraz z naczyniami, oponami i płynem mózgowo-rdzeniowym otoczone są kośćmi czaszki, która u ludzi dorosłych jest strukturą sztywną. Z uwagi na fakt, że płyn mózgowo-rdzeniowy i tkanki mózgu są nieściśliwe, krew, mózg oraz płyn mózgowo rdzeniowy muszą mieć stosunkowo stałą objętość. Wzrost ciśnienia śródczaszkowego wywołuje nacisk na naczynia mózgowe. Zmiany ciśnienia śródczaszkowego powodowane są nawet niewielkimi zmianami ciśnienia żylnego. W przypadku nagłego wzrostu ciśnienia śródczaszkowego powyżej 4,5 kPa, w sposób istotny spada wielkość przepływu krwi przez mózg, z czym wiąże się niedokrwienie mózgu. W takiej sytuacji dochodzi do pobudzenia ośrodka naczynioruchowego, co skutkuje wzrostem ciśnienia krwi w krążeniu ogólnym. Skutkiem wzrostu ciśnienia, jest impulsacja w nerwie błędnym, z którą wiążą się bradykardia oraz spadek częstości oddechów. Mechanizm ten pozwala na utrzymanie krążenia mózgowego na stałym poziomie.
Przepływ krwi przez mózg jest też regulowany w oparciu o mechanizm autoregulacji. Istotą tego procesu jest utrzymanie przepływu krwi przez różne tkanki na możliwie niskim poziomie, niezależnie od zmian ciśnienia perfuzyjnego. Mechanizm autoregulacji pozwala na utrzymanie stałej wartości przepływu krwi przez mózg, nawet jeśli wartość ciśnienia krwi w obiegu dużym waha się w dość dużych granicach. Sprawność autoregulacji jest w dużym stopniu uwarunkowana niektórymi wrodzonymi cechami mięśni gładkich, budujących naczynia krwionośne.
Działanie mechanizmów regulacyjnych ma na celu wyeliminowanie wpływu siły grawitacji na przepływ krwi przez mózg. Zjawisko to dotyka szczególnie żyrafy, które muszą nisko schylać głowę, by napić się wody, lub wyciągać ją tak, by skubać liście, z najwyższych gałęzi.
100 gram tkanki mózgowej dorosłego człowieka zużywa średnio 3,5 ml tlenu w ciągu minuty. Hipoksja jest dla mózgu bardzo niebezpieczna. Nawet bardzo krótkotrwała przerwa w dostawie tlenu do mózgu, skutkuje utratą świadomości. Hipoksja bardziej dotyka korę mózgową, niż pień mózgu. Ludzie, którzy doznali hipoksji na skutek ustania pracy serca, mogą dzięki sprawnej reanimacji powrócić do pełnej sprawności anatomicznej, jednak pod względem intelektualnym mogą wykazywać braki. Jądra kresomózgowia mają duże zapotrzebowanie na tlen. Jeśli dotknie je przewlekła hipoksja, mogą wystąpić objawy choroby Parkinsona.
Podstawowym surowcem energetycznym dla mózgu jest glukoza. W normalnej sytuacji 90% energii zużywane jest na podtrzymanie spolaryzowania błony komórkowej neuronu, dzięki któremu możliwe jest przewodzenie pobudzenia nerwowego. Glukoza dostaje się z krwiobiegu do mózgu za pomocą przenośnika glukozy. W dużych ilościach, obecny jest on w naczyniach włosowatych mózgu. Mózg zużywa duże ilości glukozy. Komórki mózgu, w większości nie potrzebują insuliny, by wykorzystywać glukozę.
Ilość glutaminianów pobrana przez mózg z krwiobiegu jest w przybliżeniu równa ilości oddanej do krwi glutaminy. Glutaminiany tworzą w mózgu połączenia z amoniakiem. W tej postaci wydostają się z mózgu do krwiobiegu. Ta sama reakcja, ale w przeciwnym kierunku, zachodzi w nerkach. Wiązanie amoniaku przez glutaminiany ma na celu ochronę mózgu przed jego toksycznym wpływem na neurony. Zatrucie amoniakiem jest bardzo prawdopodobną przyczyną nietypowych objawów neurologicznych, jakie towarzyszą śpiączce wątrobowej.
