O tronco cerebral estabelece a união entre o cérebro e as outras estruturas do sistema nervoso central, sendo maioritariamente constituído por fibras nervosas que circulam entre o cérebro e a medula espinal e por outras que ligam as várias estruturas superiores ao cerebelo. Para além disso, também é o local de acumulações de neurônios que formam centros neurológicos com funções parcialmente independentes do controlo cerebral, extremamente importantes (até mesmo vitais), além de conter os núcleos de origem da maioria dos pares cranianos.

Embora os seus limites sejam pouco definidos, é possível distinguir no tronco cerebral várias zonas anatómicas com denominações específicas. Na parte superior, encontra-se uma área denominada mesencéfalo, onde se localizam importantes núcleos como a substância negra ou o núcleo rubro, que participam na coordenação dos movimentos, os núcleos de origem dos pares cranianos III e IV e a formação reticular, que regula o sono e a vigília. Na zona superior do tronco cerebral, encontram-se igualmente os pedúnculos cerebrais, dois cordões largos e curtos, formados por fibras nervosas, provenientes do hemisfério cerebral. Por baixo, como efeito da união de ambos os pedúnculos cerebrais, encontra-se a protuberância anular ou ponte de Varolio, uma massa convexa, mais larga que cornprida, onde estão localizados os núcleos dos pares cranianos V, VI, VII e VIII, unida por outros largos cordões de fibras nervosas ao cerebelo (pedúnculos cerebelosos). Debaixo, por fim, encontra-se o bulbo raquidiano, uma massa oval diretamente ligada a medula espinal, que acolhe os centros neurológicos reguladores de funções vitais tão importantes como a atividade cardíaca e respiratória, além de conter os núcleos dos pares cranianos IX, X, XI e XII. Como a maioria das fibras nervosas provenientes do cérebro cruzam-se na parte inferior do tronco cerebral, cada hemisfério cerebral controla o movimento do lado contrário do corpo.