O nervo petroso maior se espalha a partir do sétimo nervo craniano facial próximo à orelha média. Por sua vez, ele também atinge os nervos que vão para a glândula lacrimal, que produz lágrimas para os olhos, bem como membranas mucosas no nariz e palato duro. Estes se espalham a partir do gânglio pterigopalatino, uma das quatro grandes estruturas nervosas na cabeça e no pescoço. Este gânglio também controla o fluxo sanguíneo através da cavidade nasal para ajudar a regular o aquecimento e o resfriamento no nariz. Passando através de um espaço ósseo chamado fossa craniana média, o nervo petroso maior passa pela artéria carótida e faz parte de um nervo anatomicamente identificado como o canal pterigóideo.
Várias funções são reguladas pelo nervo petroso maior, incluindo salivação. O nervo normalmente controla as glândulas mucosas acima da boca, e os danos podem fazer com que essas glândulas parem de produzir muco e saliva. No entanto, não pode controlar as glândulas salivares na mandíbula e na garganta. Os danos ao nervo petroso maior, portanto, geralmente não afetam a produção de mucosas da língua inferior e de outras glândulas próximas.
Esse nervo também afeta a produção de lágrimas. Danos podem afetar a lubrificação dos olhos. Às vezes, os sinais nervosos podem ser alterados de modo que a fome possa provocar o fluxo de lágrimas, em vez de estimular as glândulas salivares. A função do nervo também pode ser afetada por infecções do ouvido médio, mas a interrupção da atividade geralmente não fecha totalmente o nervo. Ele se separa do nervo facial antes da cavidade do ouvido médio, mas fica próximo o suficiente para ser afetado se as infecções forem graves o suficiente.
Em um espaço chamado meato auditivo, o nervo petroso maior funciona como um ramo do sétimo nervo facial. Esse nervo controla os músculos faciais, várias glândulas na cabeça e o sabor na parte de trás da língua. Ele também se liga a componentes sensoriais no tímpano e outras partes do ouvido. O nervo petroso maior também passa através de uma área chamada canal pterigóide juntamente com o nervo petroso profundo até atingir o gânglio pterigopalatino. É aqui que diferentes ramos levam a áreas como nariz e boca.
Por outro lado, o nervo facial viaja para o tronco cerebral, que é o destino de algumas fibras nervosas gustativas. O nervo petroso maior é o elo geral entre várias funções faciais não motoras, mas significativas, para o cérebro. Também faz parte da complexa rede de nervos que passam por várias cavidades no crânio e em outros ossos faciais.