Las fibras del nervio oculomotor surgen de un núcleo en el mesencéfalo , que se encuentra en la sustancia gris del piso del acueducto cerebral y se extiende frente al acueducto por una corta distancia hacia el piso del tercer ventrículo . Desde este núcleo, las fibras pasan hacia adelante a través del tegmento , el núcleo rojo y la parte medial de la sustancia negra , formando una serie de curvas con una convexidad lateral, y emergen del surco oculomotor en el lado medial del pedúnculo cerebral .
El núcleo del nervio oculomotor no consta de una columna continua de células, sino que se divide en varios núcleos más pequeños, que se organizan en dos grupos, anterior y posterior. Los del grupo posterior son seis, cinco de los cuales son simétricos a los dos lados de la línea media, mientras que el sexto está colocado en el centro y es común a los nervios de ambos lados. El grupo anterior consta de dos núcleos, uno antero-medial y otro antero-lateral.
El núcleo del nervio oculomotor, considerado desde un punto de vista fisiológico, se puede subdividir en varios grupos más pequeños de células, cada grupo controlando un músculo en particular.
Un núcleo cercano, el núcleo de Edinger-Westphal, se encuentra dorsal al núcleo oculomotor principal. Es responsable de las funciones autonómicas del nervio oculomotor, incluida la constricción pupilar y la acomodación del cristalino.