肋间动脉的走向比较复杂，除第一、二肋间动脉来自锁骨下动脉的分支肋颈干以外，其他九对肋间动脉均来自于胸主动脉。各肋间动脉行于相应的肋间隙之内，由后向前，在肋间隙后部行于胸内筋膜和肋见内膜之间，到肋膈角附近穿行于肋间最内肌和肋间内肌之间，并紧贴肋沟前行。
到腋前线以前则在相应肋骨下缘的下方，肋间内肌与胸内筋膜之间走行，肋间动脉走行至脊柱两旁，在肋骨小头下缘附近发出后支，向后穿至背部，分支分布到脊髓，背部肌和皮肤。肋间动脉在近肋角处还分出一肋间侧副支，向前下走行，进而沿下位肋骨的上缘前行，上九对肋间动脉及其侧副支的末端，在肋间隙内与胸廓内动脉和肌膈动脉的肋间前支相吻合。