Una de las características externas más notables del cerebro medio es la presencia de cuatro protuberancias en su superficie posterior (el lado que da a la parte posterior del cerebro). Estas protuberancias indican la presencia de cuatro grandes grupos subyacentes de neuronas; el par superior de estos grupos se conoce como colículos superiores y el par inferior se conoce como colículos inferiores. Se cree que los colículos superiores están implicados en la dirección de las respuestas conductuales hacia los estímulos del entorno, mientras que los colículos inferiores son más conocidos por su papel en el procesamiento auditivo.
La superficie anterior del mesencéfalo está marcada por la presencia de las cruras cerebrales (plural de crus cerebri), dos grandes haces de axones que viajan a lo largo de la base del mesencéfalo mientras se extienden desde el puente de Varolio hasta los hemisferios cerebrales. Contienen fibras que forman parte de importantes vías motoras como los tractos corticoespinal y corticobulbar. Los crura cerebrales se denominan a veces pedúnculos cerebrales, aunque este término se utiliza generalmente para referirse a una zona más amplia que incluye los crura cerebrales así como gran parte del resto del mesencéfalo.
El mesencéfalo se suele dividir en tres regiones. A nivel del mesencéfalo, el cuarto ventrículo se ha estrechado para formar el acueducto cerebral, un canal que conecta el cuarto ventrículo con el tercer ventrículo. La región del mesencéfalo posterior al acueducto cerebral se denomina tectum, que significa «techo» en latín. El tectum está formado principalmente por los colículos superior e inferior.
La zona del mesencéfalo anterior o anterior al acueducto cerebral se denomina tegmento. El tegmentum contiene una variedad de tractos ascendentes y descendentes que pasan por el mesencéfalo, como el lemnisco medial y los tractos anterolaterales. Las fibras de los pedúnculos cerebelosos superiores, la principal vía eferente del cerebelo, se decusan en el mesencéfalo. Algunas de estas fibras se proyectan a un núcleo del mesencéfalo llamado núcleo rojo, que se cree que desempeña un papel importante en la coordinación motora.
Hay otros núcleos y grupos neuronales importantes en el tegmento del mesencéfalo. Por ejemplo, el tegmento del mesencéfalo contiene núcleos para dos nervios craneales: el nervio craneal III (nervio oculomotor) y el nervio craneal IV (nervio troclear). También contiene neuronas que forman parte de los núcleos del rafe, grupos de neuronas productoras de serotonina que se encuentran en el tronco cerebral y que envían serotonina a todo el sistema nervioso central. Además, uno de los mayores conjuntos de neuronas productoras de dopamina del cerebro, el área tegmental ventral, se encuentra en el tegmentum del mesencéfalo.
La tercera región del mesencéfalo está formada por dos estructuras denominadas pedúnculos básicos. Cubren las porciones anterolaterales (al frente y hacia los lados) del tronco cerebral. Los pedúnculos de la base incluyen la crura cerebri (ya comentada) y la sustancia negra, que -como el área tegmental ventral- contiene grandes conjuntos de neuronas productoras de dopamina.
Por último, el área que rodea el acueducto cerebral se denomina gris periacueductal o PAG. El PAG ha sido reconocido durante mucho tiempo por su papel en la inhibición del dolor, aunque también se cree que está involucrado en muchas otras funciones que van desde las respuestas emocionales a la producción de vocalizaciones.