Primarna funkcija hipotalamusa je povezovanje endokrinega sistema z avtonomnim živčnim sistemom, da se ohrani stanje homeostaze v telesu. Majhna struktura, ki se nahaja nad možganskim deblom, ima hipotalamus zapleten sistem vhodov in izhodov. Te mu omogočajo, da se hitro odzove na spreminjajoče se razmere in zagotovi, da se telo temu ustrezno prilagodi. Osnovne funkcije, kot so cikli spanja, občutek lakote ali žeje in uravnavanje telesne temperature, so med številnimi nalogami. Prav tako nadzoruje številne vidike reproduktivnega sistema in je mesto čustev.
S sproščanjem posebnih nevrohormonov hipotalamus nadzoruje hipofizo, glavno žlezo endokrinega sistema. Ti kemični signali aktivirajo različne funkcije hipofize, ko hipotalamus zazna, da je to potrebno. Po drugi strani hipofiza sprošča druge hormone v krvni obtok. Ti hormoni nadzorujejo druge endokrine žleze in široko paleto presnovnih funkcij v telesu. Funkcija hipotalamusa pri nadzoru lakote in žeje, spolnem delovanju in rasti se izvaja prek tega sistema.
Čeprav mehanizem delovanja ni popolnoma razumljen, hipotalamus nadzoruje apetit in vzdržuje stabilno telesno težo. Prejema senzorične podatke, vključno z vonjem, okusom in polnostjo želodca. Na podlagi teh signalov sproži občutek lakote ali sitosti. Ta funkcija hipotalamusa je pomembna za razumevanje uspeha ali neuspeha programov hujšanja. Motnje v osi hipotalamus-hipofiza-nadledvična žleza lahko igrajo vlogo pri nekaterih motnjah hranjenja.
Medtem ko hipotalamus pošilja kemične signale endokrinemu sistemu, pošilja nevronske signale v avtonomni živčni sistem. Hipotalamus s svojo povezavo z avtonomnim živčnim sistemom nadzoruje pulz, krvni tlak, dihanje in prebavo. Zbira senzorične podatke iz notranjih organov, kože, oči, krvnih žil in drugod. Hipotalamus nenehno interpretira vse te informacije in pošilja nevronske signale, ki po potrebi aktivirajo simpatični in parasimpatični sistem avtonomnega živčnega sistema. Glavni cilj je ohraniti stanje homeostaze v telesu.
Poškodbe, okužbe, genetske motnje in druga stanja lahko spremenijo delovanje hipotalamusa. To lahko povzroči številne motnje v zapletenih sistemih, ki nadzorujejo endokrine žleze in avtonomni živčni sistem. Pri otrocih lahko disfunkcija povzroči prekomerno ali moteno rast ter prezgodaj ali prepozno nastop pubertete. Ščitnica ali nadledvična žleza je lahko prekomerno ali premalo, kar vpliva na številne presnovne procese. Pojavijo se lahko motnje hranjenja, pretirana žeja ali uriniranje.
Če je hipotalamus okvarjen, se lahko pojavijo čustvene in z njimi povezane fizične težave. Nezmožnost natančne interpretacije in odzivanja na senzorični vnos lahko povzroči depresijo, motnje spanja ali hiperaktivnost. Ker hipotalamus igra vlogo pri čustvih in vedenju ter avtonomnem živčnem sistemu, lahko vsaka izguba funkcije spremeni, kako se oseba odziva na stres. Menijo, da je delovanje imunskega sistema povezano tudi s hipotalamusom. Posledično lahko okvara te strukture povzroči napačen imunski odziv.