动眼神经核位于中脑四叠体上丘水平的导水管周围腹侧的灰质中。由核发出的纤维向腹侧穿过内侧纵束、红核及黑质，在大脑脚的内侧方，大脑后动脉和小脑上动脉之间离开脑干。它在小脑幕的游离及固定边缘之间的一个小三角区内靠近蝶鞍后床突处穿过硬脑膜，进入海绵窦，处于该窦的外上角，然后经眶上裂分为两支进入眼眶。上支供应提上睑肌和上直肌，偶尔也有些纤维到达眼轮匝肌；下支供应内直肌、下直肌和下斜肌，并提供睫状神经节的短根、后者的节后纤维组成睫状短神经供应瞳孔括约肌和睫状肌。
动眼神经核可分为三个部分组成：外侧核主核最大，含有成群的大神经元，支配提上睑肌、上直肌、内直肌、下斜肌和下直肌，但有关支配各部眼肌的核的部位和其交叉情况尚未阐明。成对的爱-韦核处于外侧核的后、内侧，为较小的神经元所组成，它的纤维支配瞳孔括约肌和睫状肌。在外侧之间尚有内侧核，爱-韦核和内侧核均属副交感神经系统，通过这些核，动眼神经参与一些瞳孔的反射活动。
（一）分段：
研究者将动眼神经分为5段，依次为池段、岩床段、海绵窦段、眶上裂段、眶段，其分段标准为：①池段：从动眼神经离开中脑后在脚间窝的外侧面出大脑脚，运行至后床突韧带的前外侧和上方。②岩床段：从后岩床突韧带到进入海绵窦的硬膜入口处。③海绵窦段：从动眼神经进入海绵窦到走行至前床突尖端下缘的下方或前方。④眶上裂段：从动眼神经进入眶上裂至出眶上裂。⑤眶段：动眼神经通过眶上裂后至上、下两支分别支配各眼肌。
（二）池段与周围血管关系：
动眼神经出脚间窝后与周边血管关系密切，其腹侧面的血管包括基底动脉末端小分支、小脑上动脉、后外侧脑桥动脉及这些动脉的脚间穿支。小脑上动脉起于基底动脉末端，于动眼神经腹侧水平向外侧走行。后外侧脑桥动脉在小脑上动脉尾侧起于基底动脉，走行在小脑上动脉的背下侧水平向外，位于动眼神经尾侧。以上动脉发出的脚间穿支进入脚间窝后部，行走于动眼神经根部腹侧。
动眼神经池段背面邻近的血管主要为大脑后动脉、后交通动脉及丘动脉。大脑后动脉为基底动脉终支，动眼神经通常与其脚间窝的内侧部主干相接触。后交通动脉起于颈内动脉，在视束下方通过，与大脑后动脉吻合，一般借大脑后动脉与动眼神经根部分开而不与其接触。丘动脉一般起于大脑后动脉起始处的尾侧，行于大脑后动脉和动眼神经之间，并跨过动眼神经与之接触。副丘动脉为丘动脉的分支，部分亦与动眼神经池段背面相邻。另外还有脉络膜后内侧动脉及中脑、间脑穿支动脉与动眼神经池段相邻近。