В своём экстракраниальном отделе позвоночная артерия отдаёт ветви к мышцам, костному и связочному аппарату шейного отдела позвоночника. На уровне второго шестого шейных позвонков от позвоночной артерии ответвляются одна — три радикуломедуллярные артерии к шейному утолщению. Хотя гораздо чаще радикуломедуллярные артерии к шейным сегментам спинного мозга берут начало не от позвоночных артерий, а от глубоких артерий шеи.

По гистологическому строению позвоночная артерия в жстракраниальном отделе относится к артериям мышечно-эластического типа с выраженной наружной и средней оболочками, хорошо развитыми наружной и внутренней эластическими мембранами. Перед входом в череп оболочки её истончаются, в них уменьшается количество тонких эластических волокон, а в месте прохождения артерии через твёрдую мозговую оболочку наружная эластическая мембрана в ней отсутствует.

В интракраниальном отделе позвоночная артерия приобретает строение артерии мышечного типа; средняя и наружная оболочки тонкие, эластические волокна в них отсутствуют или их очень мало.

Основная артерия и её ветви, включая внутримозговые артерии, равно как и интракраниальные ветви позвоночных артерий, относятся к артериям мышечного типа.