Trong cơ thể có hai động mạch thái dương sâu. Những động mạch này được gọi là động mạch thái dương sâu sau và sâu trước. Động mạch thái dương sâu trước và đối tác của nó nằm giữa màng ngoài tim (màng bao phủ bề mặt bên ngoài của hộp sọ) và cơ thái dương, quạt ra qua mỗi bên của đầu.
Hai động mạch thái dương sâu kết nối với động mạch thái dương giữa, và các động mạch này cùng cung cấp máu cho các cơ. Động mạch thái dương sâu trước có các nhánh nhỏ đi qua xương gò má (má), thông với động mạch lệ. Động mạch này cũng chạy qua cánh lớn của hình cầu, một xương ở đáy hộp sọ.
Động mạch thái dương sâu trước là một nhánh của động mạch hàm trên. Nó có thể tách biệt với các động mạch khác, chẳng hạn như động mạch thái dương sâu sau, hoặc kết hợp, tạo thành một thân từ động mạch hàm trên. Động mạch thái dương giữa sẽ luôn tách biệt; tuy nhiên động mạch thái dương sâu phía trước và đối tác phía sau của nó có thể kết hợp với việc cung cấp máu cho các động mạch khác ở đầu.