El segmento cervical, o C1, de la arteria carótida interna se extiende desde la bifurcación carotídea hasta que la arteria entra en el canal carotídeo del cráneo (anteriormente al foramen yugular, agujero por el que sale del cráneo la vena yugular).
En su origen, la carótida interna aparece algo dilatada. Esta parte de la la arteria se conoce como el seno carotídeo o bulbo carotídeo. La porción ascendente del segmento cervical se encuentra distalmente al bulbo, cuando las paredes del vaso vuelven a ser paralelas.
La carótida interna discurre perpendicularmente y hacia arriba en la vaina carotídea, y entra en el cráneo a través del canal carotídeo. Durante esta parte del trayecto, pasa por enfrente de los procesos transversos de las tres vértebras cervicales superiores.
Es relativamente superficial en su origen, donde aparece visible en el triángulo carotídeo del cuello, y se encuentra por detrás y lateralmente a la carótida externa, se cruza con el músculo esternocleidomastoideo, y se cubre por la fascia profunda, el músculo platisma, y el integumento: pasa entonces bajo la glándula parótida, se cruza con el nervio hipogloso, el músculo digástrico y el músculo estilohioideo, así como las arterias occipital y auricular posterior. Más arriba, se separa de la carótida externa por los músculos estilogloso y estilofaríngeo, la punta del proceso estiloides y el ligamento estilohioideo, el nervio glosofaríngeo y la rama faríngea del nervio vago. Se relaciona, por detrás, con el músculo recto anterior mayor de la cabeza (longus capitis), el ganglio cervical superior del tronco simpático, y el nervio laríngeo superior; lateralmente, con la vena yugular interna y el nervio vago, estando el nervio en un plano posterior a la arteria; medialmente, con la faringe, el nervio laríngeo superior y la arteria faríngea ascendente. En la base del cráneo, los nervios glosofaríngeo, vago, accesorio e hipogloso pasan entre la arteria y la vena yugular interna.
A diferencia de la arteria carótida externa, la carótida interna normalmente no tiene ramas en el cuello.