Die A. brachialis geht am Unterrand des M. pectoralis major aus der A. axillaris hervor. Sie verläuft im Sulcus bicipitalis medialis zusammen mit dem N. medianus, der die Arterie ungefähr in der Mitte des Oberarms von lateral nach medial überkreuzt 
. In der Regio cubiti teilt sich die A. brachialis in die A. ulnaris und die A. radialis. 
Die A. brachialis gibt folgende Äste ab:
- A. profunda brachii: stärkster Ast der A. brachialis, zieht gemeinsam mit dem N. radialis auf die Streckseite des Oberarms, wo sie im Sulcus nervi radialis unmittelbar auf dem Humerusschaft liegt
D istal teilt sie sich in die A. collateralis media und die A. collateralis radialis, die beide mit der A. recurrens radialis anastomosieren und sich am Aufbau des Rete articulare cubiti beteiligen .
Der Puls der A. brachialis kann bei schlanken Individuen im Sulcus bicipitalis medialis getastet werden, da die Arterie hier dicht auf dem Humerusschaft verläuft.
Ein Verschluss der A. brachialis unterhalb des Abgangs der A. profunda brachii kann teilweise oder vollständig durch den Kollateralkreislauf der A. profunda brachii mit der A. recurrens radialis kompensiert werden.
In ca. 25 % der Individuen gibt es eine zusätzliche A. brachialis superficialis, die in der Axilla von der A. brachialis abzweigt. In diesen Fällen gibt es zwei Oberarmarterien.
Die A. brachialis superficialis verläuft vor dem N. medianus oberflächlich unter der Faszie und überquert häufig den Lacertus fibrosus. Hierbei kann sie bei einer Punktion in der Regio cubiti mit der V. mediana cubiti verwechselt werden.
Gelegentlich gehen die A. radialis und (sehr selten) die A. ulnaris aus der A. brachialis superficialis hervor.
Die A. brachialis superficialis verläuft vor dem N. medianus oberflächlich unter der Faszie und überquert häufig den Lacertus fibrosus. Hierbei kann sie bei einer Punktion in der Regio cubiti mit der V. mediana cubiti verwechselt werden.
Gelegentlich gehen die A. radialis und (sehr selten) die A. ulnaris aus der A. brachialis superficialis hervor.
Gelegentlich (unter 10 %) entspringt die A. profunda brachii aus der A. axillaris oder aus der A. circumflexa humeri posterior.
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