En haut, le mésencéphale est séparé du diencéphale par les bandelettes optiques, qui contournent les pédoncules cérébraux pour gagner, en arrière d'eux, les tubercules quadrijumeaux antérieurs. Dans sa portion ventrale, il est formé par les deux pédoncules cérébraux qui pénètreront dans le diencéphale après s'être écartés pour aménager l'espace perforé postérieur, triangulaire, limité par les tubercules mamillaires et l'infundibulum, donnant naissance à la tige pituitaire. Cet important ensemble de fibres relie le cerveau antérieur aux structures sous-jacentes. Le nerf moteur oculaire commun (IIIe paire crânienne) nait en position paramédiane, à la base de chaque pédoncule. Dans sa portion dorsale, au-dessus du quatrième ventricule, se situent les bourrelets formés par les quatre noyaux qui composent le tectum : les tubercules quadrijumeaux antérieurs (colliculi supérieurs), les plus volumineux, et les tubercules quadrijumeaux postérieurs (colliculi inférieurs), formant les uns et les autres la lame quadrijumelle (quadrigéminale ou tectale). Ces relais, respectivement centres d'intégration visuelle ou auditive, sont eux-mêmes reliés aux corps genouillés externe (noyau géniculé latéral) et interne (noyau géniculé médian) par les bras colliculaires antérieur et postérieur. Le nerf pathétique (IVe paire crânienne) se rétrécit à ce niveau pour former, sous la lame quadrijumelle, l'aqueduc de Sylvius. Sa partie interne contient également le tegmentum, composé de plusieurs noyaux appartenant à la formation réticulée, et actifs dans les processus de vigilance, d'éveil et de sommeil.