Der Subthalamus schließt sich hinten lateral an den Hypothalamus an und liegt eben wie dieser unterhalb des Thalamus. Sein wichtigster Kern ist der Ncl. subthalamicus, der zu den Basalkernen gezählt wird und damit Bestandteil der Extrapyramidalmotorik ist. Der Ncl. subthalamicus steht afferent und efferent mit dem Pallidum in Verbindung, wobei er hemmende Afferenzen aus dem motorikfördernden Globus pallidus lateralis erhält und erregende Impulse an den motorikhemmenden Globus pallidus medialis bzw. an die Pars reticularis der Substantia nigra führt. Er dient damit vor allem der Hemmung von Bewegungsimpulsen und nutzt dafür den Transmitter Glutamat. Ein Ausfall des Ncl. subthalamicus führt zu überschießenden Bewegungen.
Neben dem Ncl. subthalamicus befindet sich die sehr faserreiche Zona incerta als Fortsetzung der Formatio reticularis des Mittelhirns.