O hipotálamo liga o sistema nervoso ao sistema endócrino sintetizando a secreção de neuro hormônios (também chamado de "liberador de hormônios") sendo necessário no controle da secreção de hormônios da glândula pituitária — entre eles, liberação do gonadotropina (GnRH). Os neurônios que secretam GnRH são ligados ao sistema límbico, que está envolvido principalmente no controle das emoções e atividade sexual. O hipotálamo também controla a temperatura corporal, a fome, sede, e os ciclos circadianos.

Apesar de relativamente pequeno, é uma região encefálica importante na homeostase corporal, isto é, no ajustamento do organismo às variações externas. Por exemplo, é o hipotálamo que controla a temperatura corporal, o apetite e o balanço de água no corpo, além de ser o principal centro da expressão emocional e do comportamento sexual. O hipotálamo faz também a integração entre os sistemas nervoso e endócrino, atuando na ativação de diversas glândulas produtoras de hormônios.