Der Hirnstamm (Truncus cerebri) befindet sich an der Basis des Gehirns und besteht aus Mittelhirn, Brücke und Nachhirn, das auch den Übergang zum Rückenmark bildet. Der Hirnstamm ist etwa so groß wie ein Daumen und wird von Groß- und Kleinhirn teilweise verdeckt. Der Hirnstamm verbindet die Teile des zentralen Nervensystems, denn oben schließen sich Zwischen- und Großhirn an, nach hinten das Kleinhirn, während nach unten der Hirnstamm in das Rückenmark übergeht. Dieser unterste Bereich wird als Medulla oblongata bezeichnet, als verlängertes Rückenmark, wobei keine eindeutige Grenze zu ziehen ist. Die Grenze liegt etwa an jener Stelle, an der der erste Rückenmarksnerv abzweigt oder oberhalb, an der Pyramidenkreuzung, an der zahlreiche von der linken Hirnhälfte kommende Nervenbahnen nach rechts und umgekehrt kreuzen.
Entwicklungsgeschichtlich betrachtet ist der Hirnstamm der älteste Teil des Gehirns, so dass es nur geringe Strukturunterschiede zwischen Mensch und Tier gibt. Der Hirnstamm steuert die automatisch bzw. reflexartig ablaufenden Vorgänge des menschlichen Körpers wie etwa den Herzschlag, die Atmung, reguliert die Körpertemperatur und sorgt für den Schluck- und Hustenreflex. Vor allem reguliert er Wachen und Schlafen, d. h., er koordiniert die Aktivität dess Gehirns.
Spezifische Gehirnuntersuchungen lassen auch darauf schließen, dass die Steuerung des Migränekopfschmerzes vom Hirnstamm ausgeht, denn der Hirnstamm steuert überlebenswichtige Funktionen wie etwa die Atmung, den Blutdruck und die Reflexe. Dem aus dem Hirnstamm austretenden Trigeminusnerv kommt dabei eine tragende Rolle zu, denn er steuert die Aktivierung des Nerven-Blutgefäß-Systems, was zur Folge hat, dass eine Entzündungsreaktion der großen Gehirngefäße und Gehirnkranzgefäße erfolgt.
Zentraler Taktgeber zahlreichen Vitalfunktionen ist die Formatio reticularis, deren netzartige Struktur sich durch den gesamten Hirnstamm zieht. Nicht zuletzt finden sich im Hirnstamm die Kerne von zehn der insgesamt zwölf Gehirnnerven, die etwa Geschmacks- und Höreindrücke ans Gehirn übertragen, Augen- und Gesichtsmuskulatur steuern oder das Gleichgewicht regulieren. Ein Versagen des Hirnstamms unterbricht alle von ihm gesteuerten lebensnotwendigen Körperfunktionen, sodass es zu einem Herz- oder Atemstillstand kommt. Teile des Hirnstammes halten übrigens bei Wachkomapatienten die Lebensfunktionen aufrecht.