Động mạch chia các nhánh nhỏ tới các cơ lân cận, và nhiều nhánh đến tuyến giáp, nối với động mạch giáp trên đối bên, và với các động mạch giáp dưới. Nhánh đến tuyến giáp được chia làm hai. Nhánh lớn đến cung cấp máu chủ yếu cho mặt trước của tuyến giáp; và tại eo tuyến giáp nối với nhánh tương ứng của động mạch đối bên. Nhánh thứ hai đi xuống trên mặt sau của tuyến và nối với động mạch giáp dưới.

Ngoài các nhánh đến cơ và tuyến giáp, các nhánh khác của động mạch giáp trên bao gồm:

• Nhanh dưới xương móng (hay động mạch xương móng): một động mạch nhỏ chạy dọc theo bờ dưới của xương móng nằm bên dưới cơ cơ giáp móng. Động mạch này nối với nhánh dưới xương móng của động mạch đối bên. Nhánh dưới xương móng là do cung động mạch thứ hai tạo thành.
• Nhánh cơ ức đòn chũm chạy xuống dưới và băng ngang qua bao của động mạch cảnh chung, cấp máu cho cơ ức đòn chũm và các cơ kế cận và da; nó thường xuất phát như là một nhánh riêng rẽ của động mạch cảnh ngoài.
• Động mạch thanh quản trên đi cùng với nhánh thanh quản trong của thần kinh thanh quản trên, bên dưới cơ giáp móng. Cùng với thần kinh thanh quản trong, động mạch này đi xuyên qua màng giáp móng, và cấp máu cho các cơ, niêm mạc, và các tuyến của thanh quản, nối với nhánh của động mạch đối bên.
• Động mạch nhẫn giáp cấp máu cho thanh quản. Đường đi của động mạch này thay đổi có thể ở trên hoặc nằm sâu dưới cơ ức giáp. Nếu nắm trên, nó có thể đi song hành với các nhánh của quai cổ, và nếu nằm sâu nó có thể liên quan đến thần kinh thanh quản ngoài. Động mạch này có thể nối với động mạch đối bên và các nhánh động mạch thanh quản.