L'oreille interne, située dans l'os du rocher, est remplie de liquide : l'endolymphe et la périlymphe.
Elle comprend à la fois l'organe de l'audition (cochlée ou limaçon) et l'organe de l'équilibre (vestibule et canaux semi-circulaires).

La cochlée débute au niveau de la fenêtre ovale. Elle s'enroule autour d'un axe conique et retourne vers la paroi de l'oreille moyenne oô elle se termine sur la membrane de la fenêtre ronde qui vibre en opposition de phase par rapport à la platine de l'étrier, permettant le déplacement du liquide incompressible. A l'intérieur se trouve l'organe de Corti, d'oô naissent les fibres du nerf auditif qui parcourt le conduit auditif interne.

L'organe de Corti contient plusieurs milliers de cellules ciliées internes (environ 3000) et externes (environ 10000). Chaque cellule ciliée est recouverte d'environ 100 cils (stéréocils). Les fibres du nerf auditif proviennent des cellules ciliées internes.

Le vestibule remplit de liquides labyrinthiques, contient deux vésicules, l'utricule et le saccule, à partir desquelles naissent des fibres du nerf de l'équilibre : le nerf vestibulaire qui chemine aux côtés du nerf auditif, à l'intérieur du conduit auditif interne. Du saccule et de l'utricule naît le canal endolymphatique qui se termine par un cul de sac : le sac endolymphatique.

Les canaux semi-circulaires sont au nombre de trois : supérieur, horizontal et postérieur. Ils baignent dans les liquides labyrinthiques et donnent naissance également à des fibres du nerf vestibulaire.

Les mouvements de la platine de l'étrier au niveau de la fenêtre ovale donnent naissance dans la cochlée à une " onde propagée " qui va se déplacer dans les liquides labyrinthiques et stimuler les cellules ciliées. Les cellules ciliées internes vont transformer l'onde mécanique en une onde électrique qui va pouvoir ensuite être transportée par les fibres du nerf auditif : c'est la " transduction mécano-électrique ". Les cellules ciliées externes agissent en véritable contrôleur du fonctionnement des cellules ciliées internes. Elles sont capables d'agir en véritable amplificateur du signal auditif.

L'oreille humaine perçoit les sons dont les fréquences vont habituellement de 16 à environ 20000 Hz. Chaque fréquence sonore est perçue à un endroit différent et spécifique de la cochlée ; les fréquences les plus aiguès sont perçues au tout début et les fréquences les plus graves au fond.

Les trois canaux semi-circulaires sont situés perpendiculairement les uns par rapport aux autres. Ils contiennent des cellules neurosensorielles également ciliées qui sont stimulées par les mouvements de rotation de la tête dans les différents axes. Ceci provoque l'excitation des fibres du nerfs vestibulaire.

Le saccule et l'utricule contiennent également des cellules sensorielles ciliées qui sont excitées lors de certains mouvements de la tête et sont capables de reconnaître de multiples directions. Ces cellules peuvent être stimulées par des cristaux de carbonate de calcium, les otolithes.

Les cellules neurosensorielles du vestibule détectent les mouvements linéaires alors que les cellules des canaux semi-circulaires sont stimulées par les accélérations lors des mouvements de rotation.

Il existe des relations étroites entre le vestibule et l'œil qui expliquent que certains mouvements de la tête peuvent être corrigés par des mouvements de compensation des globes oculaires. L'équilibre du corps fait également intervenir des récepteurs proprioceptifs disséminés sur toute la surface du corps, gérant la motricité posturale.

L'oreille interne peut être le siège de surdités, d'acouphènes ou de vertiges.

L'appareil auditif est donc situé dans l'os temporal, d'autres éléments anatomiques le traversent ou lui sont très proches, expliquant leur atteinte possible : la méninge, le sinus latéral ou le nerf facial.