Hüpotalamuse esmane ülesanne on siduda endokriinsüsteem autonoomse närvisüsteemiga, et säilitada organismis homöostaasi. Väike struktuur, mis asub ajutüve kohal, hüpotalamuses on keeruline sisendite ja väljundite süsteem. Need võimaldavad tal kiiresti reageerida muutuvatele tingimustele ja tagada, et keha kohaneb vastavalt. Põhifunktsioonid, nagu unetsüklid, nälja- või janutunne ja kehatemperatuuri reguleerimine, kuuluvad selle paljude ülesannete hulka. See kontrollib ka paljusid reproduktiivsüsteemi aspekte ja on emotsioonide koht.
Spetsiaalsete neurohormoonide vabanemise kaudu kontrollib hüpotalamus hüpofüüsi, endokriinsüsteemi peamist nääret. Need keemilised signaalid aktiveerivad hüpofüüsi erinevaid funktsioone, kui hüpotalamus tunneb, et see on vajalik. Hüpofüüs omakorda vabastab vereringesse teisi hormoone. Need hormoonid kontrollivad teisi endokriinseid näärmeid ja paljusid metaboolseid funktsioone kehas. Selle süsteemi kaudu saavutatakse hüpotalamuse funktsioon nälja ja janu, seksuaalse toimimise ja kasvu kontrollimisel.
Kuigi toimemehhanism pole täielikult mõistetav, kontrollib hüpotalamus söögiisu ja säilitab stabiilse kehakaalu. See võtab vastu sensoorseid andmeid, sealhulgas lõhn, maitse ja mao täius. Nende signaalide põhjal tekitab see nälja- või küllastustunde. Seda hüpotalamuse funktsiooni peetakse oluliseks kaalulangusprogrammide edu või ebaõnnestumise mõistmiseks. Hüpotalamuse-hüpofüüsi-neerupealiste telje düsfunktsioonid võivad teatud toitumishäirete puhul mängida rolli.
Kui hüpotalamus saadab keemilisi signaale endokriinsüsteemi, saadab see närvisignaale autonoomsesse närvisüsteemi. Seoses autonoomse närvisüsteemiga kontrollib hüpotalamus pulsisagedust, vererõhku, hingamist ja seedimist. See kogub sensoorseid andmeid siseorganitest, nahast, silmadest, veresoontest ja mujalt. Hüpotalamus tõlgendab kogu seda teavet pidevalt, saates närvisignaale, mis aktiveerivad vastavalt vajadusele autonoomse närvisüsteemi sümpaatilist ja parasümpaatilist süsteemi. Peamine eesmärk on säilitada kehas homöostaasi seisund.
Vigastused, infektsioonid, geneetilised häired ja muud seisundid võivad muuta hüpotalamuse funktsiooni. See võib endokriinseid näärmeid ja autonoomset närvisüsteemi kontrollivates keerulistes süsteemides põhjustada mitmesuguseid düsfunktsioone. Lastel võib talitlushäire põhjustada liigset või aeglustunud kasvu ning liiga vara või liiga hilja puberteedi algust. Kilpnääre või neerupealised võivad olla üle- või alaaktiivne, mõjutades paljusid ainevahetusprotsesse. Esineda võivad söömishäired ja liigne janu või urineerimine.
Emotsionaalsed ja sellega seotud füüsilised probleemid võivad ilmneda, kui hüpotalamus on kahjustatud. Suutmatus sensoorset sisendit täpselt tõlgendada ja sellele reageerida võib põhjustada depressiooni, unehäireid või hüperaktiivsust. Kuna hüpotalamus mängib rolli emotsioonides ja käitumises, aga ka autonoomses närvisüsteemis, võib mis tahes funktsiooni kaotus muuta seda, kuidas inimene reageerib stressile. Arvatakse, et immuunsüsteemi toimimine on seotud ka hüpotalamusega. Selle tulemusena võib selle struktuuri kahjustus põhjustada vigase immuunvastuse.