Гипоталамус участвует в регуляции многих физиологических функций (температуры тела, жажды, потребления пищи) и связан с различными другими отделами ЦНС. Головной мозг сам является объектом прямых и опосредованных гормональных влияний. Стероидные и тиреоидные гормоны проходят через гематоэнцефалический барьер, и их эффекты в головном мозге опосредуются специфическими рецепторами . Присутствующие в крови пептиды, которые не проходят через этот барьер, действуют на мозговую ткань опосредованно (инсулин, например, через изменение концентрации глюкозы в крови). Кроме того, вещества из крови могут поступать в мозг через прилегающие к желудочкам мозга структуры, лишенные гематоэнцефалического барьера (см. далее). Гипоталамические гормоны в других отделах головного мозга выполняют функцию нейротрансмиттеров или нейрогормонов. Они обнаруживаются и в других тканях, где действуют эндокринным, паракринным или аутокринным путем. Например, соматостатин-содержащие нейроны присутствуют в различных отделах ЦНС, а также в островках поджелудочной железы (D-клетках), слизистой желудочно-кишечного тракта и среди парафолликулярных С-клеток щитовидной железы. Соматостатин не только секретируется в общий кровоток или локально, но и в просвет кишки, откуда влияет на кишечную секрецию. Обладающий этой активностью гормон называют «люмоном». К общим для головного мозга, гипофиза и желудочно-кишечного тракта гормонам относятся не только ТРГ и соматостатин, но также ВИП и пептиды, образующиеся из ПОМК.
Функции гипоталамуса регулируются как гормональными сигналами (например, по механизму отрицательной обратной связи), так и нервными импульсами из различных источников. Нервные сигналы передаются с помощью нейротрансмиттеров, включающих ацетилхолин, дофамин, норадреналин, адреналин, серотонин, ГАМ К и опиоиды. Гипоталамус можно рассматривать как общий конечный пункт гипофизотропных влияний, в котором сходятся сигналы множества систем. Например, в регуляции гипоталамо- гипофизарной-надпочечниковой системы участвуют цитокины, реагирующие на инфекцию (интерлейкины). Иммунонейроэндокринные взаимодействия играют важную роль в реакции организма на различные стрессы.
Гипоталамус в свою очередь является источником сигналов к другим отделам нервной системы. Например, часть нервных волокон паравентрикулярных и супраоптических ядер достигают многих других отделов нервной системы. В стволе мозга вазопрессинергические нейроны участвуют в вегетативной регуляции артериального давления. Нейроны, достигающие серого вещества мозга, принимают участие в формировании высших корковых функций. Волокна, оканчивающиеся в срединном возвышении, секретируют АДГ в гипоталамо-гипофизарную портальную систему. Этот гормон, поступающий в большом количестве в переднюю долю гипофиза, участвует в регуляции секреции АКТГ. Крупноклеточные нейроны проецируются также в сосудистое сплетение, откуда АДГ фильтруется в спинномозговую жидкость. Паравентрикулярные ядра содержат не только крупноклеточные, но и мелкоклеточные нейроны, которые обнаруживаются и в других отделах ЦНС и могут продуцировать различные пептиды, например, КРГ и ТРГ.