硬脑膜是由两层组成，内层即脑膜层，外层即骨内膜。两层除了分开包绕引流脑内血液的静脉窦之外，在其余的部分均会合为一层。硬脑膜的外面粗糙并有纤维，其内膜比较光滑，硬脑膜的骨内膜层经颅缝和孔与骨外膜相续，并经眶上裂与眶骨膜相延续。

当颅神经穿过颅骨的孔道时，硬脑膜层则会形成管状的一个神经鞘。当神经出颅时，神经鞘会与神经外膜相融合，视神经的硬脑膜鞘会与眼球的鼓膜相延续，硬脑膜的脑膜层向内会形成皱叠形成四个格。这个格把颅腔，不完全地分割为互相相通的一个间隙，这样可以容纳脑部各种组织结构。