Después del cerebro, es la segunda estructura más voluminosa encerrada en la caja craneana. Esta debajo de la parte posterior del cerebro y detrás del tronco cerebral, en la fosa craneana posterior. Igual que el cerebro, presenta una corteza cerebelosa, de substancia gris, que envuelve una compleja organización de substancia blanca, semejante a la inervadura de una hoja, el árbol de la vida. También se ubican en el interior del cerebelo, hacia la línea media tres pares de núcleos profundos (el núcleo fastigial, el núcleo interpuesto y el núcleo dentado).

También el cerebelo presenta dos estructuras laterales, los hemisferios cerebelosos, que están unidos en el centro por una estructura alargada como una lombriz, el vermis.

La superficie del cerebelo se ve como una estructura laminada, formada por numerosas folias u circunvoluciones transversas, que van desde el borde externo de cada hemisferio hasta el vermis. En cada hemisferio la región más cercana al vermis, se llama zona intermedia siendo el resto la parte lateral del hemisferio.

Hay dos grandes fisuras transversales que dividen al cerebelo en tres lóbulos principales: el lóbulo anterior, el lóbulo posterior y el lóbulo intermedio.

Los hemisferios y el vermis se conectan con los núcleos profundos y, a nivel del tronco cerebral, con componentes de las vías motoras descendentes. Según estas conexiones, se organizan circuitos neuronales que representan tres unidades funcionales, cada una con sus entradas y salidas: la división vestíbulo cerebelosa, la división espino-cerebelosa y la división cerebro-cerebelosa.

La primera recibe vías desde el núcleo vestibular, que se ubica en la médula espinal y tiene su salida hacia ese mismo núcleo. Se relaciona con el control de los movimientos oculares y del equilibrio corporal en la posiciones bípedas y durante la marcha.

La segunda, anatómicamente comprende el vermis y la zona intermedia. Su principal entrada se origina desde la médula espinal y su salida es a través de los núcleos profundos para ir a conectarse a los componentes de la vías motoras descendentes. Esta división recibe información sensorial de la periferia y participa en al regulación de la ejecución de los movimientos de las extremidades.

La tercera esta representada por la parte lateral de los hemisferios. Recibe información desde los núcleos del puente (que viene desde la corteza cerebral por la vía cortico-ponto-cerebelosa) y envía información a través del núcleo dentado hacia el tálamo, información que continua hacia las cortezas motoras y premotoras.

El cerebelo aparece entonces interpuesto, en paralelo, con un sistema en el cual la información fluye desde la corteza a la médula. En el procesamiento de esa información es fundamental la organización de la corteza cerebelosa. En ella, las neuronas se disponen en tres capas: la molecular, la de las células de Purkinje y la de las células granulares de Golgi:

• la capa molecular: es la más externa y contiene axones de las células granulosas que se distribuyen en forma paralela a los folios. También contiene células estrelladas y en canasto esparcidas como interneuronas e, igualmente, presenta las dendritas de las células de Purkinje, cuyos cuerpos se encuentran en la segunda capa.
• la capa de las células de Purkinje se ubica bajo la molecular y contiene: los somas de las células de Purkinje que se ordenan en una sola fila que sigue en paralelo a la superficie del hemisferio. Sus dendritas van a la capa molecular y sus axones descienden a la substancia blanca. Ellos representan la única salida desde la corteza cerebelosa.
• la capa de las células granulares: contiene un gran número (10¹⁰) de células pequeñas, las células granulosas y las células de Golgi. En esta capa se encuentran complejas organizaciones sinápticas relacionadas con las fibras musgosas, que son aferentes. Esas organizaciones son los glomérulos cerebelosos. En ellos, los terminales de las fibras musgosas establecen sinapsis complejas con dendritas de las células granulosas y con terminales axónicos de las células de Golgi.