좌우 대뇌반구 및 소뇌를 제외한 부분으로 뇌의 한가운데에 위치합니다. 사이뇌·중간뇌·다리뇌·숨뇌를 합친 것이며, 아래쪽은 숨뇌가 척수에 이어집니다. 뇌와 척수를 이어주는 줄기 역할을 하는 부위로서 대뇌 반구와 소뇌, 척수 등의 각 부분과 밀접하게 관련되어 있습니다. 또한 12쌍의 뇌신경 중 후각신경(제1뇌신경)과 시각신경(제2뇌신경)을 제외한 10쌍의 뇌신경이 뇌줄기에서 나옵니다.

뇌의 아랫부분에 위치하며, 대뇌반구 안쪽에 자리잡고 있습니다. 뇌줄기는 시상과 척수 사이이면서 소뇌의 앞쪽에 있습니다.

뇌줄기의 직경은 약 8cm로 뇌간은 위에서부터 중간뇌, 다리뇌, 숨뇌로 이루어져 있습니다. 뇌줄기는 상행성 신경로와 하행성 신경로의 통로를 제공하며, 열두 쌍의 뇌신경 중 후각신경, 시각신경을 제외한 열 쌍의 말초신경이 뇌줄기에서 나옵니다. 그리고 신경세포가 밀집되어 있는 작은 회백질 부위가 존재하며, 신경세포 내에 멜라닌 색소를 함유하고 있어 검게 보이는 흑질이 존재합니다.

중간뇌(중뇌): 사이뇌와 숨뇌, 다리뇌, 소뇌 사이에 있으며, 많은 신경핵이 존재합니다. 중간뇌는 무의식적 반사운동의 중추로 자율신경계의 조절, 체온과 혈당 등을 조절합니다.

다리뇌(교뇌): 뇌줄기의 앞으로 불룩 튀어나온 부위입니다. 소뇌와 대뇌 사이의 정보전달을 하며, 숨뇌와 함께 호흡 조절의 역할을 수행합니다. 

숨뇌(연수): 제4뇌실이라는 다리뇌와 소뇌 사이의 공간이 있으며, 많은 신경세포가 연결되어 있어 자율신경계의 중계소 역할을 합니다.

그물체: 사이뇌, 중간뇌, 다리뇌, 숨뇌의 중심부에 산재해있는 그물모양의 신경세포를 말합니다. 그물체의 흥분성에 따라 의식상태가 조절됩니다.

뇌줄기는 신경다발을 통해 대뇌와 척수를 교통하며 소통하게 해주며, 소뇌와 대뇌, 소뇌와 척수 사이의 신호를 중계하는 역할을 합니다. 뇌줄기의 회백질 부위는 생명을 유지하는데 필수적인 기능인 호흡과 혈압을 조절하며, 체성 통증 감각의 정도를 조절합니다. 뇌줄기은 운동을 조절하며, 반사기능을 담당하는 자율중추로 작용합니다.

뇌는 크게 나누어 대뇌, 소뇌 및 뇌줄기의 세 부분으로 구성되어 있는데, 뇌가 어떤 질환이나 외상 때문에 그 기능이 장애를 받기 시작하여 점차 그 기능이 상실되어가면 의식을 잃어 혼수에 빠집니다. 자발운동이 불가능하게 되고 자발호흡까지도 하지 못하게 되면 사망(뇌사)에 이르게 되는데, 뇌사판정기준 중 하나로 뇌줄기 반사의 완전 소실이 있습니다. 뇌줄기 안에는 자발적인 호흡 및 생명 유지 중추로 작용하는 숨뇌가 있기 때문에 이 부분이 손상을 받게 되면 인간의 생명활동에 큰 영향을 미치게 됩니다. 뇌줄기에서 일어나는 반응이 모두 중지되고 자발적인 호흡이 되살아나지 않을 때 뇌사 판정을 내릴 수 있습니다.
뇌사와 식물인간의 차이도 모두 이 뇌줄기의 손상 여부에 달려 있습니다. 뇌사는 뇌줄기이 회복하지 못할 정도로 손상된 상태이고, 식물인간은 뇌줄기가 제 역할을 하고 있기 때문에 인공호흡기 없이 자발적인 호흡이 가능한 상태를 말합니다.