À partir de l'artère maxillaire, l'artère temporale profonde postérieure se déplace vers le haut, passant entre le muscle ptérygoïdien externe, un muscle de la mâchoire, et le muscle temporal, qui se trouve sur le côté de la tête. Dans la fosse infratemporale (un espace qui se trouve derrière la pommette), l'artère se sépare en de nombreuses branches. La fosse infratemporale, en plus de l'artère temporale profonde, contient le muscle temporal, le nerf auriculotemporal, les nerfs temporaux profonds et l'artère superficielle.
Dans la fosse, l'artère temporale profonde postérieure se déplace dans le muscle temporal, avec le nerf temporal profond. L'artère alimente en sang la partie squameuse de l'os temporal (située au sommet de l'os temporal) et le péricrane (l'enveloppe externe du crâne), ainsi que le muscle temporal. Il se joint aux artères temporales moyennes et superficielles et à l'artère temporale profonde antérieure.
