小腿后区的深层结构主要包括肌肉、血管和神经等组织。
在肌肉方面，小腿后区深层肌有三块，即胫骨后肌、趾长屈肌和长屈肌。这些肌肉在小腿后骨筋膜鞘的深鞘中，对踝关节的屈曲以及足的内外翻等动作起到关键作用。其中，胫骨后肌位于中间，起自胫骨、腓骨及小腿骨间膜的后面，止于足舟骨和内中外三块楔骨，可以屈踝关节并使足内翻。趾长屈肌和踇长屈肌（或长屈肌）分别位于胫骨后肌的内侧和外侧，起自胫骨和腓骨后面，分别屈第2-5趾和拇趾，同时也参与踝关节的屈曲。
小腿后区深层血管主要有胫后动脉和腓动脉等。胫后动脉为腘动脉的直接延续，在小腿后区浅、深层肌之间下行，沿途发出分支营养邻近肌，主干经内踝后方进入足底。胫后动脉起始处还发出腓动脉，沿胫骨后肌表面斜向外下，在长屈肌与腓骨之间下降，于外踝后方终于外踝支，主要营养邻近肌和胫、腓骨。与胫后动脉伴行的还有两条胫后静脉。
而神经主要为胫神经，胫神经是窝内胫神经的延续，伴胫后血管行于小腿后群浅深层肌之间，经内踝后方进入足底。该神经主要发出肌支支配小腿后群肌，并发出皮支即腓肠内侧皮神经，伴小隐静脉分布于小腿后面的皮肤。
小腿后区的深层结构复杂而有序，各组织之间相互协作，共同维持着小腿的正常功能。如果出现小腿异常疼痛，应尽早去医院就诊检查，明确病因后对症治疗。