El segmento cavernoso, o C4, de la arteria carótida interna empieza en el ligamento petrolingual y se extiende hasta el anillo dural proximal, que está formado por el periostio medial e inferior del proceso clinoides anterior. El segmento cavernoso está rodeado por el seno cavernoso.

En esta parte del trayecto, la arteria aparece situada entre las capas de duramadre que forman el seno cavernoso, pero cubierta por el forro membranoso del seno. Primero asciende hacia el proceso clinoides posterior, luego pasa hacia adelante a lado del cuerpo del hueso esfenoides, y de nuevo se curva hacia arribaa en el lado medial del proceso clinoides anterior, y perfora la duramadre formando el techo del seno. Esta porción de la arteria está rodeada por filamentos del tronco simpático, y en su cara lateral está el nervio abductor, o nervio craneal VI.

Las ramas del segmento cavernoso que reciben nombre son:

  la arteria meningohipofisaria;
  el tronco inferolateral.

Del segmento cavernoso también nacen pequeñas arterias capsulares que irrigan la pared del seno cavernoso.