Гіпоталамус регулює функції автономної нервової системи та ендокринної системи, необхідні підтримки гомеостазу, крім автоматичних дихальних рухів, ритму серця і кров'яного тиску.
Він бере участь у регуляції вегетативних функцій організму, які відповідають за артеріальний тиск, проникність судин, теплорегуляцію та тепловіддачу, апетит, обмінні процеси, регуляцію сну та психічної діяльності. Гіпоталамус здійснює регуляцію діяльності периферичних залоз внутрішньої секреції через гіпофіз.
За допомогою рилізинг-гормонів гіпоталамус управляє роботою нижчележачої залози – гіпофіза. Гіпофіз, у свою чергу, регулює роботу всіх залоз внутрішньої секреції. – Виробляє фолікулостимулюючий гормон (ФСГ), лютеїнізуючий гормон (ЛГ), тиреотропний гормон (ТТГ).
Гіпоталамус контролює передню частку, вивільняючи гормони з кровоносних судин, що з'єднують їх. Він контролює задню частку за допомогою нервових імпульсів. Гіпофіз виробляє частину гормонів непостійно. Більшість вивільняється епізодично, раз на 1–3 години, чергуючи періоди активності та неактивності.