Primarna funkcija hipotalamusa je povezivanje endokrinog sustava s autonomnim živčanim sustavom kako bi se održalo stanje homeostaze u tijelu. Mala struktura smještena iznad moždanog debla, hipotalamus ima složen sustav ulaza i izlaza. To mu omogućuje brzu reakciju na promjenjive uvjete i osigurava da se tijelo u skladu s tim prilagodi. Osnovne funkcije kao što su ciklusi spavanja, osjećaj gladi ili žeđi i regulacija tjelesne temperature su među njegovim brojnim zadaćama. Također kontrolira mnoge aspekte reproduktivnog sustava i mjesto je emocija.
Putem oslobađanja posebnih neurohormona, hipotalamus kontrolira hipofizu, glavnu žlijezdu endokrinog sustava. Ovi kemijski signali aktiviraju različite funkcije hipofize kada hipotalamus osjeti da je to potrebno. Zauzvrat, hipofiza oslobađa druge hormone u krvotok. Ovi hormoni kontroliraju druge endokrine žlijezde i široku lepezu metaboličkih funkcija u tijelu. Funkcija hipotalamusa u kontroli gladi i žeđi, seksualnog funkcioniranja i rasta ostvaruje se kroz ovaj sustav.
Iako mehanizam djelovanja nije u potpunosti shvaćen, hipotalamus kontrolira apetit i održava stabilnu tjelesnu težinu. Prima senzorne podatke uključujući miris, okus i punoću želuca. Na temelju tih signala pokreće osjećaj gladi ili zasićenja. Ova funkcija hipotalamusa smatra se važnom za razumijevanje uspjeha ili neuspjeha programa mršavljenja. Disfunkcije u osovini hipotalamus-hipofiza-nadbubrežna žlijezda mogu igrati ulogu u nekim poremećajima prehrane.
Dok hipotalamus šalje kemijske signale endokrinom sustavu, on šalje neuralne signale autonomnom živčanom sustavu. Kroz svoju povezanost s autonomnim živčanim sustavom, hipotalamus kontrolira brzinu pulsa, krvni tlak, disanje i probavu. Prikuplja senzorne podatke iz unutarnjih organa, kože, očiju, krvnih žila i drugdje. Hipotalamus kontinuirano tumači sve te informacije, šaljući neuralne signale koji po potrebi aktiviraju simpatički i parasimpatički sustav autonomnog živčanog sustava. Glavni cilj je očuvati stanje homeostaze u tijelu.
Ozljede, infekcije, genetski poremećaji i druga stanja mogu promijeniti funkciju hipotalamusa. To može uzrokovati širok raspon disfunkcija u zamršenim sustavima koji kontroliraju endokrine žlijezde i autonomni živčani sustav. Kod djece, disfunkcija može dovesti do prekomjernog ili poremećenog rasta, te prerano ili prekasno početka puberteta. Štitnjača ili nadbubrežne žlijezde mogu biti preaktivne ili neaktivne, utječući na brojne metaboličke procese. Mogu se pojaviti poremećaji prehrane, pretjerana žeđ ili mokrenje.
Emocionalni i povezani fizički problemi mogu se manifestirati ako je hipotalamus oštećen. Nemogućnost preciznog tumačenja i reagiranja na senzorni unos može dovesti do depresije, poremećaja spavanja ili hiperaktivnosti. Budući da hipotalamus igra ulogu u emocijama i ponašanju, kao i autonomnom živčanom sustavu, svaki gubitak funkcije može promijeniti način na koji osoba reagira na stres. Vjeruje se da je funkcioniranje imunološkog sustava također povezano s hipotalamusom. Kao rezultat toga, oštećenje ove strukture može rezultirati pogrešnim imunološkim odgovorom.