Vestibüler sistem, denge ve mekansal yönelim hissi sağlayan bir dizi iç kulak yapısından oluşur. Bu sistem, koklea ve iki otolit organı olan utrikül ve sakkül dahil olmak üzere iç kulağın labirentindeki yapılardan oluşur. Labirent ayrıca farklı düzlemlerde yönlendirilmiş üç yarı dairesel kanal (süperior, posterior ve horizontal) içerir.

Bu yapıların tümü vestibüler tüy hücrelerini, yani vestibüler sistemin duyusal reseptörlerini içerir. Otolit organlarında tüy hücreleri, nispeten ağır halde bulunan otokonya (kalsiyum karbonat kristalleri) içeren otolitik membran adı verilen jelatinimsi bir tabakanın altında yer alır. Tüy hücrelerinin uçları eğildiğinde, otolitik membrana kayar ve stereosilya eğilir.

Yarım daire kanallarında, tüy hücrelerinin silyaları, endolenf sıvısı ile çevrili jelatinimsi bir kupula içinde bulunur. Baş dönme ve yavaşlama gibi hareketlere maruz kaldığında sıvı hareket eder, kupula ve içindeki silyaları büker.

İşitsel saç hücrelerine benzer şekilde, en yüksek saç hücresine doğru yer değiştirme, mekanik kapılı iyon kanallarının açılmasına, hücrenin depolarizasyonuna ve nörotransmitter salınımının artmasına neden olur. En kısa kirpiklere doğru yer değiştirme ise, hücreyi hiperpolarize eder ve dinlenme ile karşılaştırıldığında nörotransmitter salınımını azaltır. Bu şekilde, başın hareketleri sinirsel sinyallere dönüştürülür.

Vestibüler tüy hücreleri, labirentin yapıları içinde farklı yönlere yönlendirilir ve baş hareketinin farklı tip ve yönlerinin tespit edilmesine izin verir. Bu bilgiler labirentten vestibüler sinir yoluyla beyin sapı ve serebellum gibi beyin kısımlarına ve bazı göz kaslarına gönderilir. Bu, baş hareket ederken bakışları stabilize etmek için göz pozisyonunu ayarlayan vestibülo-oküler refleks gibi hızlı motor tepkileri sağlar.

Beyinde, her iki kulaktan gelen vestibüler bilgi, mekansal yönelime yardımcı olmak için görsel bilgi gibi diğer duyusal bilgi türleri ile bütünleşir. Bazı vestibüler bilgiler talamus yoluyla serebral kortekse gönderilir ve uzayda oryantasyon bilinç algısına yardımcı olurlar.