Wie das größere Großhirn hat das Kleinhirn zwei Hemisphären. Die Kleinhirnhemisphären befinden sich zu beiden Seiten eines kleinen Bereichs, der als Vermis bezeichnet wird und die beiden Hemisphären in der Mitte trennt. Jede der Kleinhirnhemisphären ist weiter in fünf Lappen unterteilt. Tiefe Falten im Kleinhirn trennen die zehn Lappen. An der unteren Rückseite des Gehirns positioniert, sitzt das Kleinhirn unterhalb des Großhirns und hinter dem Pons.
Von außen zeichnen sich die Kleinhirnhemisphären durch enge, parallele Falten aus. Dies unterscheidet sich vom Großhirn, das große Oberflächenfalten aufweist, die gewunden erscheinen. Der Kortex des Kleinhirns ist eigentlich eine kontinuierliche Schicht von Hirngewebe, die eng um sich selbst gefaltet ist. Obwohl die Kleinhirnhemisphären nur zehn Prozent des Gehirnvolumens ausmachen, enthalten sie mehr Neuronen als der Rest des Gehirns. Dies ist aufgrund der eng gefalteten Natur des Kleinhirns möglich.
Tief in jeder der Kleinhirnhemisphären befinden sich die tiefen Kerne. Alle ausgehenden Signale werden durch diese Kerne gesendet. Der Kortex der Kleinhirnhemisphären wertet eingehende Nachrichten aus, die sensorische und andere Daten vom Großhirn übermitteln. Die Feinabstimmung der Bewegung wird von diesem Teil des Gehirns koordiniert, da sensorische Botschaften empfangen und Signale an die Muskeln gesendet werden. Eine Schädigung des Kleinhirns führt zu einem Mangel an Koordination und Timing von Bewegungen und anderen Problemen, einschließlich Sprachproblemen.
Funktionell ist das Kleinhirn in drei Abschnitte unterteilt. Das Pontocerebellum besteht aus dem größten Teil der Rinde des Kleinhirns. Eine Schädigung dieses Teils des Kleinhirns zeigt sich normalerweise als Mangel an Koordination auf der gleichen Körperseite wie die Schädigung. Eine Verletzung oder Erkrankung des Vestibulozerebellums ist durch Schwindel und einen unkoordinierten Gang gekennzeichnet. Wenn das Spinozerebellum durch Alkohol, Verletzungen oder Krankheiten geschädigt ist, wird der Gehgang schwankend und die Körperhaltung wird beeinträchtigt.
Mehrere Störungen betreffen das Kleinhirn. Spinozerebelläre Ataxie ist eine degenerative genetische Erkrankung, die durch einen fortschreitenden Verlust der Koordination gekennzeichnet ist. Über zehn verschiedene Formen der spinozerebellären Ataxie sind bekannt, abhängig von der jeweiligen Genmutation. Die Forschung hat einen Zusammenhang zwischen Autismus und einer Verkleinerung der Kleinhirnhemisphären ergeben. Auch Schlaganfälle und Hirnverletzungen beeinträchtigen die Funktion des Kleinhirns und führen zu einem Mangel an Kontrolle über die Bewegung.