Hjernestammen er den stilklignende struktur, der forbinder storhjernen og lillehjernen med rygmarven. Det er den ældste del af hjernen set i evolutionære termer og er fortsat essentiel for de mest basale livsfunktioner.

Hjernestammen består af tre områder: mellemhjernen, pons og medulla oblongata. Sammen regulerer de hjerterytme, blodtryk og vejrtrækning. De indeholder kernerne i de fleste kranienerver, som styrer ansigt, mund og øjne, og de huser de opadgående og nedadgående nervebaner, der transporterer sensorisk og motorisk information mellem kroppen og den øvre hjerne. Den retikulære formation i hjernestammen modulerer opvågnings- og søvn-vågenhedscyklusser; skader kan forårsage koma.

Fordi hjernestammen er tæt pakket med kritiske nervebaner og kerner, kan selv små læsioner være ødelæggende. Samtidig gør dens relative enkelhed sammenlignet med cortex den til et område, hvor visse automatiske funktioner kan fortsætte, selv når den højere bevidsthed er tabt.

Når hjertet slår og lungerne udvider sig uden bevidst instruktion, udfører hjernestammen sit kontinuerlige, diskrete arbejde.