Dall'arteria mascellare, l'arteria temporale profonda posteriore viaggia verso l'alto, passando tra il muscolo pterigoideo esterno, un muscolo della mascella, e il muscolo temporale, che si trova sul lato della testa. Nella fossa infratemporale (uno spazio che si trova dietro lo zigomo), l'arteria si separa in numerosi rami. La fossa infratemporale, oltre all'arteria temporale profonda, contiene il muscolo temporale, il nervo auricolo-temporale, i nervi temporali profondi e l'arteria superficiale.
Nella fossa, l'arteria temporale profonda posteriore si sposta nel muscolo temporale, insieme al nervo temporale profondo. L'arteria fornisce sangue alla porzione squamosa dell'osso temporale (che si trova nella parte superiore dell'osso temporale) e al pericranio (il rivestimento esterno del cranio), nonché al muscolo temporale. Si unisce alle arterie temporali medie e superficiali e all'arteria temporale profonda anteriore.
