直肠的神经受植物神经支配（交感和副交感神经），肛管区主要受脊神经支配。交感神经来自T11-12、L1-3，在形成上腹下丛后，分成二支腹下神经沿髂内血管下行，在盆腔形成盆神经丛，另一部分来自腰交感干的延续，于髂血管后方汇入盆神经丛。副交感神经发自S2-4构成盆内脏神经，一并参与盆神经丛的组成。盆丛发出的纤维与髂内血管伴行分布至盆腔内诸脏器。在直肠手术中主要需要注意的是：在肿瘤未侵犯的情况下保留腹下神经，此神经是浅面间隙，是直肠手术最重要的层面判别标志；侧方分离直肠时在尽量切除肿瘤的前提下，不宜过分贴近盆侧壁，侧韧带处切除是根治和保留神经的关键点。直肠的神经为内脏神经分布，交感神经发自肠系膜下丛和盆丛；副交感神经发自盆内脏神经，经盆丛、直肠下丛沿直肠侧韧带分布于直肠。与排便反射有关医学教.育网搜集整理的传入纤维，也由盆内脏神经传入。
直肠系膜过去认为直肠没有系膜，特别是中下段直肠。但20世纪90年代，英国医学教育|网搜集整理学者提出直肠系膜的概念：直肠系膜是指包绕直肠后方的半月形的潜在系膜结构，其由直乙结肠系膜向下延伸而来，其后方是骶前间隙，向下直至提肛肌水平。
