Der Hirnstamm ist der unterste Teil des Gehirns und eine strukturelle Fortsetzung des Rückenmarks. Es ist der älteste Teil des Gehirns, strukturell analog zu Teilen, die im Gehirn aller Wirbeltiere zu finden sind, angeblich sogar der ältesten Wirbeltiere, wie des kieferlosen Fisches Haikouichthys, dessen Fossilien vor 530 Millionen Jahren datiert werden. Der Bereich umfasst das Hinterhirn und das Mittelhirn, zwei der drei Hauptregionen, in die sich das Neuralrohr während der Embryogenese differenziert. Die dritte Region differenziert sich in den Rest des Gehirns.
Der Hirnstamm, der wohl primitivste Teil des Gehirns, aber auch einer der wichtigsten, reguliert zusammen mit den Teilen des Zentralnervensystems außerhalb des Gehirns hauptsächlich autonome Funktionen. Zu diesen Funktionen gehören die kardiovaskuläre Kontrolle (Herzschlag und Blutdruck), die Kontrolle der Schmerzempfindlichkeit, die Wachsamkeit, die Atmungskontrolle (Atmung) und ganz allgemein das Bewusstsein – obwohl die Definition dieses Wortes notorisch rutschig ist. Ist diese Region geschädigt, ist der Tod wahrscheinlich, während beispielsweise ein Teil der Rinde (äußere Schicht) des Gehirns geschädigt ist, das Überleben viel wahrscheinlicher ist.
Neben der Regulierung der grundlegendsten Funktionen des Lebens spielt der Hirnstamm die Rolle einer Art neuroanatomischer Schalttafel, aber der Rest des Gehirns, da alle Informationen, die in und aus dem Gehirn gelangen, durch ihn hindurchgehen müssen. Seine dritte Hauptaufgabe besteht darin, als Kern der Hirnnerven zu dienen, Nerven, die eher aus dem Gehirn als aus dem Rückenmark hervorgehen, wie dies bei den meisten Nerven der Fall ist. Der Mensch verfügt über 12 Hirnnerven, die die motorischen und sensorischen Systeme von Kopf und Hals bedienen.
Bestandteile des Gebiets sind die Medulla oblongata, der Pons und das Mittelhirn. Die Medulla enthält die Gehirnregionen, die Atmung, Herz, Schlucken, Erbrechen und Stuhlgang steuern. Das Herzzentrum in der Medulla ist insbesondere das, was das Herz steuert. Die Medulla ist der unterste Teil des Stammes, und direkt darüber befindet sich der Pons, die charakteristische Ausbuchtung des Hirnstamms. Seine Hauptaufgaben bestehen darin, sensorische Informationen zwischen dem Kleinhirn und dem Großhirn (dem Großteil des Gehirns) zu übermitteln, die Atmung zu regulieren und die Erregung zu kontrollieren – nicht im sexuellen Sinne, sondern im Sinne eines schlafenden oder wachen Tieres, das ruhig ist oder aufgeregt.