El sistema vestibular es un conjunto de estructuras del oído interno que proporcionan una sensación de equilibrio y orientación espacial. Este sistema se compone de estructuras dentro del laberinto del oído interno, incluyendo la cóclea y dos órganos otolitos: el utrículo y el sáculo. El laberinto también contiene tres canales semicirculares (superior, posterior y horizontal) que están orientados en diferentes planos.

Todas estas estructuras contienen células ciliadas vestibulares, los receptores sensoriales del sistema vestibular. En los órganos otolitos, las células ciliadas se encuentran debajo de una capa gelatinosa llamada membrana otolítica, que contiene otoconia (cristales de carbonato de calcio), lo que la hace relativamente pesada. Cuando la cabeza está inclinada, la membrana otolítica cambia, doblando los estereocilios en las células ciliadas.

En los canales semicirculares, los cilios de las células ciliadas están contenidos dentro de una cúpula gelatinosa, que está rodeada por la endolinfa. Cuando la cabeza experimenta movimientos, como aceleración rotacional y desaceleración, el fluido se mueve, doblando la cúpula y los cilios dentro de ella.

Al igual que las células ciliadas auditivas, el desplazamiento hacia el cilio más alto hace que los canales de iones mecánicamente cerrados se abran, despolarizando la célula y aumentando la liberación de neurotransmisores. El desplazamiento hacia el cilio más corto hiperpolariza la célula y disminuye la liberación de neurotransmisores en comparación con el resto. De esta manera, los movimientos de la cabeza se transducen en señales neuronales.

Las células ciliadas vestibulares están orientadas en diferentes direcciones dentro de las estructuras del laberinto, que a su vez están orientadas en diferentes direcciones, lo que permite detectar diversos tipos y direcciones de movimiento de la cabeza. Esta información se envía desde el laberinto a través del nervio vestibular a partes del cerebro, como el tronco encefálico y el cerebelo, así como a ciertos músculos ópticos. Esto permite respuestas motoras rápidas, como el reflejo vestibulo-ocular, que ajusta la posición del ojo para estabilizar la mirada mientras la cabeza se mueve.

En el cerebro, la información vestibular de ambos oídos se integra con otros tipos de información sensorial, como la información visual, para ayudar en la orientación espacial. Parte de la información vestibular se envía a través del tálamo a la corteza cerebral, ayudando en la percepción consciente de la orientación en el espacio.