Ο υποθάλαμος παράγει μια πληθώρα ορμονών, οι οποίες είναι χημικές ενώσεις σημαντικές για τη ρύθμιση του εσωτερικού περιβάλλοντος του σώματος. Χωρίζονται σε τρεις μεγάλες κατηγορίες. Η πρώτη κατηγορία διεγείρει άλλα όργανα του σώματος να παράγουν ορμόνες. Η παρεμπόδιση της παραγωγής άλλων ορμονών είναι η λειτουργία της δεύτερης κατηγορίας. Τα διαφορετικά συστήματα στο σώμα επηρεάζονται άμεσα από την τρίτη κατηγορία υποθαλαμικών ορμονών.
Μια κατηγορία υποθαλαμικών ορμονών είναι οι απελευθερωτικές ορμόνες, οι οποίες λειτουργούν διεγείροντας την παραγωγή άλλων ορμονών. Για παράδειγμα, ο υποθάλαμος εκκρίνει ορμόνη απελευθέρωσης θυρεοτροπίνης (TRH), η οποία διεγείρει την υπόφυση να παράγει ορμόνη διέγερσης του θυρεοειδούς (TSH). Η TSH προκαλεί στον θυρεοειδή να δημιουργήσει θυρεοειδικές ορμόνες. Τα υψηλά επίπεδα θυρεοειδικής ορμόνης στο αίμα μειώνουν την υποθαλαμική παραγωγή TRH, σχηματίζοντας έτσι έναν ανασταλτικό βρόχο ανάδρασης. Η καθιέρωση πολλαπλών επιπέδων ελέγχου για την παραγωγή ορμονών βοηθά να διασφαλιστεί ότι το σώμα διατηρεί ένα σταθερό εσωτερικό περιβάλλον.
Ο υποθάλαμος παράγει μια σειρά άλλων ορμονών απελευθέρωσης. Η ορμόνη απελευθέρωσης γοναδοτροπίνης (GnRH) διεγείρει την υπόφυση να δημιουργήσει ορμόνη διέγερσης ωοθυλακίων (FSH) και ωχρινοτρόπο ορμόνη (LH), και οι δύο είναι σημαντικές για τη ρύθμιση του αναπαραγωγικού συστήματος. Η ποσότητα της αυξητικής ορμόνης (GH) που παράγεται από την υπόφυση μπορεί να αυξηθεί από την αυξητική ορμόνη (GHRH). Ομοίως, η ορμόνη απελευθέρωσης κορτικοτροπίνης (CRH) διεγείρει την παραγωγή αδρενοκορτικοτροπικής ορμόνης (ACTH) από την υπόφυση, η οποία είναι σημαντική για τη ρύθμιση της ορμονικής παραγωγής του επινεφριδίου.
Οι υποθαλαμικές ορμόνες μπορούν επίσης να έχουν ανασταλτικό χαρακτήρα. Η ντοπαμίνη θεωρείται ανασταλτική επειδή μειώνει την παραγωγή προλακτίνης (Prl) από την υπόφυση. Η προλακτίνη είναι μια ορμόνη που είναι σημαντική για τη ρύθμιση του εμμηνορροϊκού κύκλου και της παραγωγής μητρικού γάλακτος στις γυναίκες, και συμβάλλει επίσης στη διατήρηση της γενικής σεξουαλικής λειτουργίας στους άνδρες. Μια άλλη ανασταλτική υποθαλαμική ορμόνη είναι η σωματοστατίνη, γνωστή και ως ορμόνη αναστολής της αυξητικής ορμόνης (GHIH).
Μερικές από τις υποθαλαμικές ορμόνες έχουν πιο άμεσες επιδράσεις. Ένα παράδειγμα είναι η αγγειοπιεστίνη, επίσης γνωστή ως αντιδιουρητική ορμόνη (ADH). Αυτή η ορμόνη προκαλεί στο νεφρό να αυξάνει την κατακράτηση υγρών και είναι σημαντική για τη διατήρηση των σωστών επιπέδων ηλεκτρολυτών όπως το νάτριο και το κάλιο στο αίμα. Η ωκυτοκίνη, μια άλλη υποθαλαμική ορμόνη με άμεσες επιδράσεις στο σώμα, είναι σημαντική για την τόνωση των συσπάσεων της μήτρας κατά τον τοκετό και επιτρέπει την απελευθέρωση γάλακτος από το στήθος της μητέρας σε ένα βρέφος που θηλάζει. Μερικοί άνθρωποι αναφέρονται σε αυτήν την ορμόνη ως την ορμόνη «αγάπης» επειδή υψηλά επίπεδα αναφέρονται επίσης σε ασθενείς που έχουν ισχυρή συναισθηματική σύνδεση με έναν σύντροφο.