Hipotalamusul produce o multitudine de hormoni, care sunt compuși chimici importanți în reglarea mediului intern al organismului. Ele se împart în trei clase mari. Prima clasă stimulează alte organe ale corpului să producă hormoni. Inhibarea producerii altor hormoni este funcția de clasa a doua. Diferite sisteme din organism sunt direct afectate de cea de-a treia clasă de hormoni hipotalamici.
O clasă de hormoni hipotalamici este cea de eliberare, care acționează prin stimularea producției de alți hormoni. De exemplu, hipotalamusul secretă hormonul de eliberare a tirotropinei (TRH), care stimulează glanda pituitară să producă hormonul de stimulare a tiroidei (TSH). TSH determină tiroida să creeze hormoni tiroidieni. Nivelurile ridicate de hormon tiroidian din sânge scad producția hipotalamică de TRH, formând astfel o buclă de feedback inhibitor. Stabilirea mai multor niveluri de control pentru producția de hormoni ajută la asigurarea faptului că organismul menține un mediu intern stabil.
Hipotalamusul produce o serie de alți hormoni de eliberare. Hormonul de eliberare a gonadotropinei (GnRH) stimulează glanda pituitară să creeze hormonul foliculostimulant (FSH) și hormonul luteinizant (LH), ambele fiind importante pentru reglarea sistemului reproducător. Cantitatea de hormon de creștere (GH) produsă de hipofizar poate fi crescută de hormonul de eliberare a hormonului de creștere (GHRH). În mod similar, hormonul de eliberare a corticotropinei (CRH) stimulează producția de hormon adrenocorticotrop (ACTH) din glanda pituitară, care este important pentru reglarea producției hormonale a glandei suprarenale.
Hormonii hipotalamici pot fi, de asemenea, de natură inhibitoare. Dopamina este considerată a fi inhibitoare deoarece scade producția de prolactină (Prl) de către hipofizar. Prolactina este un hormon care este important în reglarea ciclului menstrual și a producției de lapte matern la femei și, de asemenea, contribuie la menținerea funcției sexuale generale la bărbați. Un alt hormon hipotalamic inhibitor este somatostatina, cunoscut și sub numele de hormon de inhibare a hormonului de creștere (GHIH).
Unii dintre hormonii hipotalamici au efecte mai directe. Un exemplu este vasopresina, cunoscută și sub denumirea de hormon antidiuretic (ADH). Acest hormon face ca rinichii să crească retenția de lichide și este important în menținerea nivelurilor corecte de electroliți, cum ar fi sodiul și potasiul din sânge. Oxitocina, un alt hormon hipotalamic cu efecte directe asupra organismului, este importantă pentru stimularea contracțiilor uterine în timpul nașterii și pentru a permite laptelui să fie eliberat din sânii mamei către sugarul care alăptează. Unii oameni se referă la acest hormon drept hormonul „iubirii”, deoarece niveluri ridicate sunt raportate și la pacienții care au o conexiune emoțională puternică cu un partener.