Din artera maxilară, artera temporală profundă posterioară se deplasează în sus, trecând între mușchiul pterigoid extern, un mușchi din maxilar și mușchiul temporal, care se află pe partea laterală a capului. În fosa infratemporală (un spațiu care se află în spatele pomeții), artera se separă în numeroase ramuri. Fosa infratemporală, pe lângă artera temporală profundă, conține mușchiul temporal, nervul auriculotemporal, nervii temporali adânci și artera superficială.
În fosă, artera temporală profundă posterioară se deplasează în mușchiul temporal, împreună cu nervul temporal profund. Artera furnizează sânge porțiunii scuamoase a osului temporal (situat în partea superioară, dacă osul temporal) și pericraniu (învelișul exterior al craniului), precum și mușchiul temporal. Se unește cu arterele temporale medii și superficiale și artera temporală profundă anterioară.
