Il sistema vestibolare è un insieme di strutture dell'orecchio interno che forniscono un senso di equilibrio e orientamento spaziale. Questo sistema è costituito da strutture all'interno del labirinto dell'orecchio interno, tra cui la coclea e due organi otolitici: l'utricole e il sacculo. Il labirinto contiene anche tre canali semicircolari , superiori, posteriori e orizzontali, che sono orientati su piani diversi.

Tutte queste strutture contengono cellule ciliate vestibolari, i recettori sensoriali del sistema vestibolare. Negli organi otolitici, le cellule ciliate si trovano sotto uno strato gelatinoso chiamato membrana otolitica, che contiene "otoconi" - cristalli di carbonato di calcio - rendendolo relativamente pesante. Quando la testa è inclinata, la membrana otolitica si sposta, piegando lo stereocilia sulle cellule ciliate.

Nei canali semicircolari, le ciglia delle cellule ciliate sono contenute all'interno di una cupula gelatinosa, che è circondata da liquido endolinfatico. Quando la testa sperimenta movimenti, come l'accelerazione e la decelerazione rotazionali, il fluido si muove, piegando la cupola e le ciglia al suo interno.

Simile alle cellule ciliate uditive, lo spostamento verso il cilio più alto provoca l'apertura di canali ionici meccanicamente legati, la depolarizzazione della cellula e l'aumento del rilascio del neurotrasmettitore. Lo spostamento verso il ciglio più corto iperpolarizza la cellula e diminuisce il rilascio del neurotrasmettitore rispetto al riposo. In questo modo, i movimenti della testa vengono trasdotti in segnali neurali.

Le cellule ciliate vestibolari sono orientate in direzioni diverse all'interno delle strutture del labirinto, che sono a loro volta orientate in direzioni diverse, consentendo di rilevare diversi tipi e direzioni del movimento della testa. Queste informazioni vengono inviate dal labirinto attraverso il nervo vestibolare a parti del cervello, come il tronco encefalico e il cervelletto, così come alcuni muscoli ottici. Ciò consente risposte motorie rapide, come il riflesso vestibulo-oculare, che regola la posizione degli occhi per stabilizzare lo sguardo mentre la testa è in movimento.

Nel cervello, le informazioni vestibolali di entrambe le orecchie sono integrate con altri tipi di informazioni sensoriali, come le informazioni visive, per aiutare nell'orientamento spaziale. Alcune informazioni vestibolali vengono inviate attraverso il talamo alla corteccia cerebrale, aiutando nella percezione cosciente dell'orientamento nello spazio.