من الشريان الفكي العلوي ، ينتقل الشريان الصدغي الخلفي العميق إلى الأعلى ، ويمر بين العضلة الجناحية الخارجية وعضلة الفك والعضلة الصدغية الموجودة على جانب الرأس. في الحفرة تحت الصدغ (مساحة تقع خلف عظم الوجنة) ، ينقسم الشريان إلى عدة فروع. تحتوي الحفرة تحت الصدغ ، بالإضافة إلى الشريان الصدغي العميق ، على العضلة الصدغية ، والعصب الأذني الصدغي ، والأعصاب الصدغية العميقة ، والشريان السطحي.
في الحفرة ، ينتقل الشريان الصدغي الخلفي العميق إلى العضلة الصدغية ، جنبًا إلى جنب مع العصب الصدغي العميق. يقوم الشريان بإمداد الدم إلى الجزء الحرشفية من العظم الصدغي (الموجود في الجزء العلوي إذا كان العظم الصدغي) والغشاء الصدغي (الغطاء الخارجي للجمجمة) ، وكذلك العضلات الصدغية. ينضم إلى الشرايين الصدغية الوسطى والسطحية والشريان الصدغي الأمامي العميق.