Encontrada na parte de trás do membro inferior, a artéria tibial posterior começa atrás do joelho e desce a perna em direção à parte de trás do pé. É um ramo da artéria poplítea e se divide nas artérias plantares medial e lateral do pé, além de formar um ramo logo abaixo do joelho, chamado artéria fibular ou fibular. As artérias transportam sangue rico em oxigênio para longe do coração, de modo que a direção do fluxo sanguíneo na artéria tibial posterior é descendente. Esse vaso é assistido pela veia tibial posterior, que fica no interior da artéria e transporta o sangue de volta para a perna.
Como ramo da artéria poplítea, a artéria tibial posterior recebe sangue desse vaso maior, assim como seu outro ramo, a artéria tibial anterior, que fornece a frente da perna. A artéria poplítea se divide nesses dois vasos na altura da extremidade inferior do poplíteo, um músculo que atravessa a parte de trás do joelho. A uma curta distância abaixo deste ponto, perto do topo da panturrilha, a artéria posterior libera seu próprio ramo, a artéria peroneal, que se inclina para o exterior da perna posterior, atrás do osso fíbula.
A partir daqui, a artéria tibial posterior desce o membro atrás do osso da tíbia, curvando-se gradualmente em direção ao interior do tornozelo. Atravessa a articulação atrás do maléolo medial da tíbia, a parte protuberante da parte inferior do osso visível ao longo do interior do tornozelo. O vaso fica entre o maléolo e o tendão de Aquiles. De fato, um pulso da artéria pode ser sentido aqui. Juntamente com os tendões dos músculos tibial posterior, flexor longo dos dedos e flexor hallucis longo, bem como a veia tibial posterior e o nervo tibial, a artéria é agrupada atrás do tornozelo pelo retináculo flexor, uma faixa horizontal do ligamento.
Depois de passar atrás do tornozelo, a artéria tibial posterior se divide em duas artérias menores da superfície plantar ou na parte inferior do pé: as artérias plantares medial e lateral. Isso ocorre abaixo do calcâneo ou osso do calcanhar, com a artéria plantar medial direcionada para o dedão do pé e a artéria plantar lateral fornecendo os quatro dedos menores. Assim como a artéria tibial posterior leva sangue denso em oxigênio e nutrientes para os músculos e tecidos da parte inferior da perna, as artérias plantares suprem as da planta do pé.