硬腦膜為3層被膜的最外層，厚而致密，由二層組成：即內層或腦膜層，外層或骨內膜。兩層除了分開包繞引流腦內血液的靜脈竇外，其余部位均合為一層。硬腦膜貼于顱骨的內面，血管和纖維束由其進入顱骨。在顱縫、顱底和枕骨大孔周圍，硬腦膜與骨的結合緊密。在兒童，從顱縫處除去硬腦膜是很困難的。而在成人，硬腦膜在骨縫融合處則與顱縫脫離。隨著年齡的增長硬膜增厚、柔韌性減低，并更牢固地與顱骨內面相結合，尤其在顱頂部。當硬膜從顱骨分離時，連接硬腦膜與顱骨的纖維束和血管被撕斷，故硬腦膜的外面粗糙并有纖維，而其內面光滑。硬腦膜的骨內膜層經顱縫和孔與骨外膜相續，并經眶上裂與眶骨膜相延續。當腦神經穿過顱骨的孔道時，硬腦膜層則形成管狀的神經鞘。當神經出顱時，該鞘與神經外膜融合。視神經的硬膜鞘與眼球的鞏膜相續。硬腦膜的腦膜層向內褶疊形成4個隔，把顱腔不完全地分隔為相通的間隙以容納腦的各部。