Neurohypofýza má dvě základní strukturální součásti − pars nervosa a infundibulum. Pars nervosa sestává z axonů neurosekrečních buněk jader hypothalamu, pituicytů a fenestrovaných kapilár. Nemá strukturu žlázy, nesyntetizuje žádné hormony.

Neurosekreční buňky, které se nacházejí zejména v nucleus supraopticus a nucleus paraventricularis, vysílají nemyelienizované axony do neurohypofýzy. Toto spojení tvoří dohromady hypothalamohypofyzární trakt (tractus hypothalamohypophysialis). Axony vytvářejí velké dilatace vyplněné bazofilními neurosekrečními granuly, které se nazývají Herringova tělíska. Obsah granul je syntetizován v neurosekrečních neuronech a uvolňován do okolí kapilár v neurohypofýze. Granula skladují oxytocin, který je produkován v nucleus paraventricularis a antidiuretický hormon (ADH, vazopresin) z nucleus supraopticus. Pituicyty jsou gliové buňky spadající mezi makroglii, které obklopují nemylienizované axony, čímž jim poskytují oporu.