Desde la arteria maxilar, la arteria temporal profunda posterior viaja hacia arriba, pasando entre el músculo pterigoideo externo, un músculo de la mandíbula, y el músculo temporal, que se encuentra en el costado de la cabeza. En la fosa infratemporal (un espacio que se encuentra detrás del pómulo), la arteria se separa en numerosas ramas. La fosa infratemporal, además de la arteria temporal profunda, contiene el músculo temporal, el nervio auriculotemporal, los nervios temporales profundos y la arteria superficial.
En la fosa, la arteria temporal profunda posterior se mueve hacia el músculo temporal, junto con el nervio temporal profundo. La arteria suministra sangre a la porción escamosa del hueso temporal (ubicada en la parte superior del hueso temporal) y al pericráneo (la cubierta externa del cráneo), así como al músculo temporal. Se une con las arterias temporales media y superficial y con la arteria temporal profunda anterior.
