O sistema vestibular é um conjunto de estruturas auriculares internas que proporcionam uma sensação de equilíbrio e orientação espacial. Este sistema é composto por estruturas dentro do labirinto do ouvido interno, incluindo a cóclea e dois órgãos otolíticos—o utrículo e o sáculo. O labirinto também contém três canais semicirculares—superiores, posteriores e horizontais—que são orientados em diferentes planos.

Todas essas estruturas contêm células ciliadas vestibulares—os receptores sensoriais do sistema vestibular. Nos órgãos otolíticos, as células ciliadas assentam sob uma camada gelatinosa chamada membrana otolítica, que contém otólitos—cristais de carbonato de cálcio—tornando-a relativamente pesada. Quando a cabeça é inclinada, a membrana otolítica muda, dobrando os estereocílios nas células ciliadas.

Nos canais semicirculares, os cílios das células ciliadas estão contidos dentro de uma cúpula gelatinosa, que é cercada por fluido endolinfa. Quando a cabeça experimenta movimentos, como aceleração e desaceleração rotacional, o fluido move-se, dobrando a cúpula e os cílios dentro dela.

Semelhante às células ciliadas auditivas, o deslocamento em direção ao cílio mais alto faz com que os canais de iões mecanicamente fechados se abram, despolarizando a célula e aumentando a libertação de neurotransmissores. O deslocamento para o cílio mais curto hiperpolariza a célula e diminui a libertação de neurotransmissores em comparação com o repouso. Desta forma, os movimentos da cabeça são transduzidos em sinais neurais.

As células ciliadas vestibulares estão orientadas em diferentes direções dentro das estruturas do labirinto—que estãos elas próprias orientadas em diferentes direções—permitindo que diversos tipos e direções de movimento da cabeça sejam detectados. Essa informação é enviada do labirinto através do nervo vestibular para partes do cérebro, como o tronco cerebral e o cerebelo, bem como certos músculos ópticos. Isso permite respostas motoras rápidas, como o reflexo vestibulo-ocular, que ajusta a posição dos olhos para estabilizar o olhar enquanto a cabeça se está a mover.

No cérebro, as informações vestibulares de ambos os ouvidos são integradas com outros tipos de informações sensoriais—como informações visuais—para auxiliar na orientação espacial. Algumas informações vestibulares são enviadas através do tálamo para o córtex cerebral—auxiliando na percepção consciente da orientação no espaço.