Η κύρια λειτουργία του υποθαλάμου είναι να συνδέσει το ενδοκρινικό σύστημα με το αυτόνομο νευρικό σύστημα προκειμένου να διατηρήσει μια κατάσταση ομοιόστασης στο σώμα. Μια μικρή δομή που βρίσκεται πάνω από το στέλεχος του εγκεφάλου, ο υποθάλαμος έχει ένα πολύπλοκο σύστημα εισόδων και εξόδων. Αυτά του επιτρέπουν να ανταποκρίνεται γρήγορα στις μεταβαλλόμενες συνθήκες και διασφαλίζει ότι το σώμα προσαρμόζεται ανάλογα. Βασικές λειτουργίες όπως οι κύκλοι ύπνου, το αίσθημα της πείνας ή της δίψας και η ρύθμιση της θερμοκρασίας του σώματος είναι μεταξύ των πολλών καθηκόντων του. Ελέγχει επίσης πολλές πτυχές του αναπαραγωγικού συστήματος και είναι ο τόπος των συναισθημάτων.
Μέσω της απελευθέρωσης ειδικών νευροορμονών, ο υποθάλαμος ελέγχει την υπόφυση, τον κύριο αδένα του ενδοκρινικού συστήματος. Αυτά τα χημικά σήματα ενεργοποιούν τις διάφορες λειτουργίες της υπόφυσης όταν ο υποθάλαμος αισθάνεται ότι είναι απαραίτητο. Με τη σειρά του, η υπόφυση απελευθερώνει άλλες ορμόνες στην κυκλοφορία του αίματος. Αυτές οι ορμόνες ελέγχουν τους άλλους ενδοκρινείς αδένες και μια μεγάλη ποικιλία μεταβολικών λειτουργιών στο σώμα. Η λειτουργία του υποθαλάμου στον έλεγχο της πείνας και της δίψας, της σεξουαλικής λειτουργίας και ανάπτυξης επιτυγχάνεται μέσω αυτού του συστήματος.
Αν και ο μηχανισμός δράσης δεν είναι πλήρως κατανοητός, ο υποθάλαμος ελέγχει την όρεξη και διατηρεί ένα σταθερό σωματικό βάρος. Λαμβάνει αισθητήρια δεδομένα συμπεριλαμβανομένης της μυρωδιάς, της γεύσης και της πληρότητας του στομάχου. Με βάση αυτά τα σήματα, προκαλεί αισθήματα πείνας ή κορεσμού. Αυτή η λειτουργία του υποθαλάμου θεωρείται σημαντική για την κατανόηση της επιτυχίας ή της αποτυχίας των προγραμμάτων απώλειας βάρους. Οι δυσλειτουργίες στον άξονα υποθάλαμου-υπόφυσης-επινεφριδίων μπορεί να παίζουν ρόλο σε ορισμένες διατροφικές διαταραχές.
Ενώ ο υποθάλαμος στέλνει χημικά σήματα στο ενδοκρινικό σύστημα, στέλνει νευρικά σήματα στο αυτόνομο νευρικό σύστημα. Μέσω της σύνδεσής του με το αυτόνομο νευρικό σύστημα, ο υποθάλαμος ελέγχει τον παλμό, την αρτηριακή πίεση, την αναπνοή και την πέψη. Συλλέγει αισθητήρια δεδομένα από εσωτερικά όργανα, το δέρμα, τα μάτια, τα αιμοφόρα αγγεία και αλλού. Ο υποθάλαμος ερμηνεύει όλες αυτές τις πληροφορίες σε συνεχή βάση, στέλνοντας νευρικά σήματα που ενεργοποιούν τα συμπαθητικά και παρασυμπαθητικά συστήματα του αυτόνομου νευρικού συστήματος, όπως απαιτείται. Ο κύριος στόχος είναι να διατηρηθεί η κατάσταση της ομοιόστασης στο σώμα.
Τραυματισμοί, λοιμώξεις, γενετικές διαταραχές και άλλες καταστάσεις μπορούν να αλλάξουν τη λειτουργία του υποθαλάμου. Αυτό μπορεί να προκαλέσει ένα ευρύ φάσμα δυσλειτουργιών στα περίπλοκα συστήματα που ελέγχουν τους ενδοκρινείς αδένες και το αυτόνομο νευρικό σύστημα. Στα παιδιά, η δυσλειτουργία μπορεί να οδηγήσει σε υπερβολική ή μειωμένη ανάπτυξη και σε έναρξη της εφηβείας που είναι πολύ νωρίς ή πολύ αργά. Ο θυρεοειδής ή τα επινεφρίδια μπορεί να είναι υπερδραστήριοι ή υπολειτουργικοί, επηρεάζοντας πολλές μεταβολικές διεργασίες. Διατροφικές διαταραχές και υπερβολική δίψα ή ούρηση μπορεί να εμφανιστούν.
Συναισθηματικά και συναφή σωματικά προβλήματα μπορεί να εκδηλωθούν εάν ο υποθάλαμος έχει υποστεί βλάβη. Η αδυναμία ακριβούς ερμηνείας και ανταπόκρισης στις αισθητηριακές πληροφορίες μπορεί να οδηγήσει σε κατάθλιψη, διαταραχές ύπνου ή υπερκινητικότητα. Δεδομένου ότι ο υποθάλαμος παίζει ρόλο στα συναισθήματα και τη συμπεριφορά καθώς και στο αυτόνομο νευρικό σύστημα, οποιαδήποτε απώλεια λειτουργίας μπορεί να αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο το άτομο ανταποκρίνεται στο άγχος. Πιστεύεται ότι η λειτουργία του ανοσοποιητικού συστήματος συνδέεται επίσης με τον υποθάλαμο. Ως αποτέλεσμα, η βλάβη αυτής της δομής μπορεί να οδηγήσει σε ελαττωματική ανοσοαπόκριση.