血液は以下の2対の太い動脈を通って脳に送られます。

内頸動脈：心臓から出た血液を首の前側に沿って運びます。

椎骨動脈：心臓から出た血液を首の後面に沿って運びます。

左右の椎骨動脈は頭蓋内で合流して、後頭部で脳底動脈となります。内頸動脈と脳底動脈は、大脳動脈を含む数本の動脈に枝分かれします。動脈の枝のいくつかはつながって輪（ウィリス動脈輪）になっていて、椎骨動脈と内頸動脈はこのウィリス動脈輪でつながっています。ちょうど環状道路から分岐する道路のように、ウィリス動脈輪からは複数の動脈が枝分かれしていて、これらの枝を介して脳全体に血液が供給されています。

脳に血液を送っている太い動脈が詰まっても、症状がまったく現れないか、軽い脳卒中しか起こらない人もいます。しかし、同じような閉塞によって大きな虚血性脳卒中が起こる人もいます。これはなぜでしょうか。その理由の1つは、側副動脈にあります。側副動脈は動脈の間を走って、接続路を増やしています。側副動脈には、ウィリス動脈輪や、そこから枝分かれしている動脈間の接続路などがあります。生まれつき側副動脈が太い人もいます。すると、1本の動脈が詰まっても、側副動脈によって血流が保たれるため、脳卒中が起こらないことがあります。一方、生まれつき側副動脈が細い人もいます。細い側副動脈は障害を受けた領域に血液を十分に送ることができないため、脳卒中が起こります。

体には、新しい動脈を作って脳卒中から自分を守る働きもあります。閉塞がゆっくり生じている場合は（動脈硬化症のときなど）、脳の障害領域への血液供給が保たれるように新しい血管が成長するため、脳卒中が起こらないこともあります。脳卒中が起こった場合も、新しい動脈ができて次の脳卒中が予防されることがあります（ただし、すでに起こった損傷を元に戻すことはできません）。