Твердая мозговая оболочка (dura mater spinalis et encephali) выстилает внутреннюю поверхность черепа и позвоночного канала. Твердая оболочка состоит из двух слоев — наружного и внутреннего. В черепе она выполняет функцию надкостницы и на большей его части легко отслаивается от костей. Она прочно прикрепляется к кости по краям отверстий основания черепа, на crista galli, на заднем крае малых крыльев клиновидной кости, на краях турецкого седла, на теле клиновидной и затылочной костей (скат) и на поверхности пирамид височной кости. В наружном слое твердой мозговой оболочки, а также в бороздах кости проходят нервы, артерии, по две вены, сопровождающие артериальный ствол. Внутренний слой твердой оболочки гладок, блестящ и рыхло соединяется с паутинной оболочкой, образуя субдуральное пространство.
Твердая мозговая оболочка, окружающая спинной мозг, представляет продолжение твердой оболочки головного мозга. Она начинается от края затылочного отверстия и достигает уровня III поясничного позвонка, где слепо заканчивается. Твердая оболочка спинного мозга состоит из плотной наружной и внутренней пластинок, состоящих из коллагеновых и эластических волокон. Наружная пластинка составляет надкостницу и надхрящницу позвоночного канала (endorachis). Между наружной и внутренней пластинками имеется прослойка рыхлой соединительной ткани — эпидуральное пространство (cavum epidurale), в котором располагаются венозные сплетения. Внутренняя пластинка твердой оболочки укреплена на спинномозговых корешках в "межпозвоночных отверстиях. В полости черепа твердая оболочка образует в щелях головного мозга серповидные отростки.