Der Hirnstamm (= Stammhirn) besteht aus mehreren Strukturen: verlängertes Rückenmark, Pons (Brücke) und Mittelhirn. Alle Strukturen sind dadurch gekennzeichnet, dass auf engem Raum zahlreiche auf- und absteigende Bahnsysteme des Großhirns und Kleinhirns hier verlaufen. Darüber hinaus bestehen zahlreiche Kerngebiete von Hirnnerven und wichtige Netzwerke für die Steuerung der Blickmotorik, der Atmung, des Schluckens und z.B. der Bewusstseinslage. Insbesondere ein ausgeprägter Hirnstamminfarkt ist somit als potentiell lebensbedrohlich einzustufen.
Die Gefäßversorgung des Hirnstammes erfolgt durch die beiden Vertebralarterien (Arteria vertebralis), die sich im Übergangsbereich zwischen dem verlängertem Rückenmark und der Pons zur Arteria basilaris vereinigen. Von den beiden Vertebralarterien und der Arteria basilaris wird durch drei beidseitig angelegte Arterien auch das Kleinhirn durchblutet. An der Gefäßversorgung des Hirnstammes in den beschriebenen Bereichen Mittelhirn, Brücke und verlängertem Rückenmark sind sehr viele kleinere Blutgefäße beteiligt, so dass bei Befall einzelner Arterien sehr schwerwiegende Defekte entstehen können. 

Nach größeren Studien kommt es in 43 % der Hirnstamminfarkte zu einem Verschluss größerer Arterien, bei weiteren 18 % zu einem Verschluss kleinerer Arterien.

In der Akutphase der Erkrankung ist bei Patienten mit Hirnstamminfarkt die weitere Entwicklung noch nicht sicher abzuschätzen. Im Bereich des Hirnstammes ist die Aussagekraft der Computertomographie häufig beschränkt, so dass eine Kernspintomographie (MRT = Magnetresonanztomographie) zu fordern ist. Diese Methode wird häufig durch eine spezielle Form der Gefäßdarstellung, der MR-Angiographie ergänzt. Dadurch sind Aussagen über Gefäßmissbildungen, abnorme Gefäßverläufe, Thrombosierungen, Dissektionen und Gefäßverschlüsse möglich.

Für Patienten mit Hirnstamminfarkt ist oft für den späteren Verlauf die Frührehabilitation von entscheidender Bedeutung.