Blod-hjärnbarriären består av endotelceller, pericyter (celler med liknande egenskaper som glatta muskelceller) samt astrogliala utskott, av vilka endotelcellerna är det som framförallt bildar barriären. Dess speciella egenskaper kommer således huvudsakligen från endotelcellerna t ex deras brist på vesikulär transport. På de platser där barriären inte finns (d v s i perifera och circumventrikulära organ) förekommer intracellulära öppningar mellan endotelcellerna kallade fenestra. I dessa förekommer också riklig transport m h a endocytotiska mekanismer. I blod-hjärn-barriären däremot förekommer vesikulär transport relativt sparsamt. Likaså sluter endotelcellerna tätt m h a tight junctions.
Ett ämne kan passera barriären på tre sätt:
Tre olika transportsystem förflyttar amino syrer över barriärens endotelceller:
Förutom den fysiska barriären i form av cellmembranet förekommer även en metabol barriär; olika enzymer kan verka nedbrytande på olika ämnen. Exempel på sådana ämnen är L-DOPA, som måste ges tillsammans med en DOPA-dekarboxylasinhibitor för att kunna passera den metabola barriären.
Blod-hjärn-barriären finns inte överallt runt cerebrala artärer. De ställen där den är genomsläpplig är posteriora hypofysen samt runt circumventrikulära organ som t ex area postrema, subfornikala organ och subkomissurala organ. Orsaken till detta är fysiologisk; t ex kräver hypofysens sekretiva funktion att genomsläppligheten ökas. De delar av hjärnan till vilka barriären har ökad genomsläpplighet isoleras från resten hjärnan genom speciella ependymalceller kallade tanycyter, vilka är sammanfogade med tight junctions och således förhindrar fritt utbyte mellan CSF och cirkumventrikulära organ.
För att endotelceller skall utveckla en viss fenotyp krävs signaler från celler omgivande hjärnan, framförallt från astroglia. Dessa har en viktig roll vid utvecklingen av tight junctions mellan endotelceller.
Vid primära maligna hjärntumörer funkar inte alltid blod-hjärn-barriären. Den läcker och ger upphov till det ödem som kännetecknar dessa. Vid hjärnhinneinflammation upphör också barriären att fungera. Detta uppträder delvis som en effekt av den immunologiska responsen på inflammationen då antibiotika kan tränga igenom och verka.