Từ động mạch hàm trên, động mạch thái dương sâu sau đi lên trên, đi qua giữa cơ mộng thịt bên ngoài, cơ hàm và cơ thái dương, ở bên đầu. Trong hố xương chậu (một không gian nằm sau xương gò má), động mạch tách thành nhiều nhánh. Hạch vùng thái dương, ngoài động mạch thái dương sâu, còn chứa cơ thái dương, dây thần kinh hậu môn thái dương, dây thần kinh thái dương sâu và động mạch bề mặt.
Trong hố xương, động mạch thái dương sâu sau di chuyển vào cơ thái dương cùng với dây thần kinh thái dương sâu. Động mạch cung cấp máu cho phần vảy của xương thái dương (nằm ở trên cùng nếu là xương thái dương) và pericranium (lớp bọc bên ngoài của hộp sọ), cũng như cơ thái dương. Nó tham gia với động mạch thái dương ở giữa và bề mặt và động mạch thái dương sâu trước.
