Das Stammhirn besteht aus drei Abschnitten: dem Mittelhirn, der Brücke und dem verlängerten Mark, das mit dem Rückenmark verbunden ist.
An den Abschnitten des Stammhirns beginnen zehn der zwölf Hirnnerven. Das Mittelhirn liegt zwischen dem Zwischenhirn und der Brücke. Es besteht aus dem Mittelhirndach, das Ansammlungen von Nervenzellen, schwarze Substanz und den roten Kern enthält. Diese Kerne sind für unwillkürliche Bewegungen zuständig, die als Reaktion auf Sinneseindrücke erfolgen.
Den zweiten Abschnitt des Mittelhirns bilden die Hirnschenkel, in denen Nervenbahnen verlaufen. Diese Nerven verbinden u. a. das Großhirn mit der Brücke sowie dem verlängerten Mark und dem Rückenmark.

Die sich an das Mittelhirn anschließende Brücke dient vor allem der Verbindung von Abschnitten des Gehirns (z. B. von Großhirn und Kleinhirn). Nicht zuletzt jedoch finden sich hier Nervenzellenansammlungen, an denen einige Hirnnerven entspringen.

Unterhalb der Brücke schließt sich das verlängerte Mark an. Das verlängerte Mark beinhaltet vor allem Nervenbahnen, die das Rückenmark mit dem Gehirn verbinden.
Außerdem befinden sich im verlängerten Mark Kerngebiete, zu denen Hirnnerven hinziehen. Diese Kerngebiete erfüllen wichtige Funktionen, so ist hier das Atemzentrum zu finden, durch das die Atmung größtenteils gesteuert wird. Auch das Schluckzentrum befindet sich hier, genau wie die Zentren, die den Nies- und den Hustenreflex steuern, diese erfüllen zum Teil lebenswichtige Funktionen, z. B. wird reflexartig Husten ausgelöst, wenn ein Fremdkörper verschluckt wird. Auch das Brechzentrum und das Herz-Kreislauf-Zentrum sind Teil des verlängerten Marks. Das Herz-Kreislauf-Zentrum ist deshalb so wichtig, weil es (neben dem Herzen selbst) die Herzfrequenz und auch das Schlagvolumen des Herzens beeinflusst. Zudem sind im verlängerten Mark Biosensoren zu finden, die z. B. den pH-Wert des Blutes messen, der in einem eng begrenzten Rahmen gehalten werden muss.

Während ein Ausfall des verlängerten Marks in der Regel zum Tod führt, kann ein Mensch u. a. mithilfe des verlängerten Marks weiterleben, wenn das Großhirn so geschädigt ist, dass es seine Funktionen nicht mehr erfüllen kann (Teilhirntod). Da sich im verlängerten Mark das Atemzentrum befindet, muss der Patient oft nicht einmal künstlich beatmet werden. Allerdings liegen die meisten Patienten, die als Apalliker bezeichnet werden, im Koma. Manchmal kommt es zur Spontanheilung, sonst tritt nach einiger Zeit der Tod ein.