Dari arteri maxillary, arteri temporal dalam posterior bergerak ke atas, melewati antara otot pterygoid luaran, otot di rahang, dan otot temporal, yang berada di sisi kepala. Dalam fossa infratemporal (ruang yang terletak di belakang tulang pipi), arteri berpisah menjadi banyak cabang. Fossa infratemporal, selain arteri temporal dalam, mengandungi otot temporalis, saraf auriculotemporal, saraf temporal dalam, dan arteri dangkal.
Dalam fossa, arteri temporal dalam posterior bergerak ke otot temporal, bersama dengan saraf temporal dalam. Arteri membekalkan darah ke bahagian skuamosa tulang temporal (terletak di bahagian atas jika tulang temporal) dan pericranium (penutup luar tengkorak), serta otot temporal. Ia bergabung dengan arteri temporal tengah dan dangkal dan arteri temporal dalam anterior.
