一层附着于颅骨内面的坚韧的结缔组织膜。由胶质纤维和弹性纤维组成，在枕骨大孔与硬脊膜相延续。硬脑膜分为两层：外层是颅骨内面富含血管和神经的骨膜；内层伸入大脑和小脑之间形成分隔与静脉窦。
硬脑膜为3层被膜的最外层，厚而致密，由二层组成：即内层或
脑膜层，外层或骨内膜。两层除了分开包绕引流脑内血液的静脉窦外，其余部位均合为一层。硬脑膜贴于颅骨的内面，
血管和
纤维束由其进入
颅骨。在颅缝、颅底和枕骨大孔周围，硬脑膜与骨的结合紧密。在儿童，从颅缝处除去硬脑膜是很困难的。而在成人，硬脑膜在骨缝融合处则与颅缝脱离。随着年龄的增长硬膜增厚、柔韧性减低，并更牢固地与颅骨内面相结合，尤其在颅顶部。当硬膜从颅骨分离时，连接硬脑膜与颅骨的纤维束和血管被撕断，故硬脑膜的外面粗糙并有纤维，而其内面光滑。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。当脑神经穿过颅骨的孔道时，硬脑膜层则形成管状的神经鞘。当神经出颅时，该鞘与神经外膜融合。视神经的硬膜鞘与眼球的巩膜相续。硬脑膜的脑膜层向内褶叠形成4个隔，把颅腔不完全地分隔为相通的间隙以容纳脑的各部。
主要来自上颌动脉发出的脑膜中动脉，是营养硬脑膜的重要血管。它从颅底的棘孔入颅中窝，沿颞骨内面的脑膜中动脉沟走行。硬脑膜的血管中，尚有来自筛前动脉的脑膜前动脉，咽升动脉的脑膜后动脉和椎动脉及枕动脉的脑膜支。
在一定部位，硬脑膜内层折叠成皱襞，其中形成重要的结构有：大脑镰形如镰刀。是硬脑膜内层自颅顶正中线折叠并向伸展与两半球之间的结构。其前端窄，附于鸡冠，后分宽，向下连于小脑幕的上面。小脑幕呈半月形，水平地位于大脑半球与小脑之间。小脑幕分为两侧颞骨岩部；前缘游离并向后凹陷，称为幕切迹，与蝶骨鞍背围成的孔有中脑穿过。小脑幕将颅腔分为幕上、下间隙。幕上间隙又借大脑镰分为左、右两部。当幕上间隙的颅内压增高时，可将海马旁回和海马旁回钩推入小脑幕孔，形成颞叶钩回疝。小脑镰后部附着与枕内嵴，前缘游离，呈镰刀状，部分的分割小脑两半球。向上连于小脑幕，下接枕骨大孔边缘。鞍隔为环状邹襞，中央有一孔，漏斗从此通过。其前方附着于鞍结节和前床突，后方附着于小脑幕游离缘，构成垂体窝的顶。硬膜窦是由硬脑膜的骨膜层在特定部位互相分离而形成的腔隙，在腔隙内面衬有内皮细胞。硬膜窦中，充以静脉血并于静脉相续，故称静脉窦。因其壁厚不易塌陷，当损伤时则出血凶猛。上矢状窦（superiorsagittalsinus）：位于颅顶中线偏右，居大脑镰的上缘。前起盲孔，后至窦汇。主要接受大脑背外侧面上部和部分内侧面的静脉血。上矢状窦两侧壁上有许多静脉陷窝，蛛网膜绒毛伸入其中。脑脊液通过上述绒毛的再吸收作用而进入静脉窦。因此，上矢状窦是脑皮层静脉和脑脊液回流的必经之路。下矢状窦（inferiorsagittalsinus）：位于大脑镰下部的游离缘，在小脑幕的前缘处与大脑大静脉汇合共同延为直窦。直窦（rectussinus）：位于大脑镰和小脑幕的汇合处，直行向后，在枕内隆凸附近与上矢状窦汇合成为窦汇，并向两侧延伸为横窦。横窦和乙状窦：横窦位于枕骨横沟处，即小脑幕的后外侧缘，向前行至岩枕裂处转向下成为乙状窦。乙状窦位于颞骨的乙状沟内。窦汇：为上矢状窦、下矢状窦、直窦和左、右横窦的会合处。实际上以上各窦会合在窦汇者少见。若上矢状窦分支时，则右支常比左支大，右横窦也比左横窦宽大。枕窦：位于小脑镰内，自枕内隆凸沿枕内嵴向下，至枕骨大孔边缘是分为左、右支，在枕骨大孔后缘形成环窦。海绵窦：位于蝶骨体两侧，为不规则状的静脉窦。海绵窦左右由垂体前、后下方的海绵间前窦、海绵间后窦和海绵间下窦相连通。海绵窦内又有颈内动脉、动眼神经、外展神经、滑车神经和眼神经通过。