二頭の名の通り起始部が長頭と短頭に分かれている。長頭は肩甲骨関節上結節から起こり、上腕二頭筋長頭腱として関節包内・上腕骨結節間溝を通り、大部分は橈骨粗面に停止する。一部は尺骨の前腕筋膜に停止する。短頭は肩甲骨烏口突起から起こり、停止部は長頭と同様である。 作用としては前腕の屈曲と回外（肘を90°で固定し手のひらを上に向ける動作）を行う。屈曲時には上腕筋、烏口腕筋などと共に協調して働くが、純粋に前腕の屈曲をする主動作筋は上腕筋である。前腕屈曲位の拮抗筋は上腕三頭筋となる。前腕の回外は回外筋、腕橈骨筋などと協調して働く。