Hypotalamuksen ensisijainen tehtävä on yhdistää endokriininen järjestelmä autonomiseen hermostoon ylläpitääkseen homeostaasin tilaa kehossa. Pieni rakenne, joka sijaitsee aivorungon yläpuolella, hypotalamuksessa on monimutkainen tulo- ja lähtöjärjestelmä. Niiden avulla se voi reagoida nopeasti muuttuviin olosuhteisiin ja varmistaa, että keho sopeutuu sen mukaan. Perustoiminnot, kuten unisyklit, nälän tai jano ja kehon lämpötilan säätö, kuuluvat sen moniin tehtäviin. Se hallitsee myös monia lisääntymisjärjestelmän näkökohtia ja on tunteiden paikka.
Vapauttamalla erityisiä neurohormoneja hypotalamus ohjaa aivolisäkettä, endokriinisen järjestelmän päärauhasta. Nämä kemialliset signaalit aktivoivat aivolisäkkeen eri toimintoja, kun hypotalamus havaitsee sen olevan tarpeen. Aivolisäke puolestaan vapauttaa muita hormoneja verenkiertoon. Nämä hormonit hallitsevat muita sisäeritysrauhasia ja laajaa kehon aineenvaihduntatoimintaa. Hypotalamuksen toiminta nälän ja janoa, seksuaalista toimintaa ja kasvua hallitaan tämän järjestelmän avulla.
Vaikka toimintamekanismia ei täysin ymmärretä, hypotalamus hallitsee ruokahalua ja ylläpitää vakaata ruumiinpainoa. Se vastaanottaa aistitietoja, mukaan lukien haju, maku ja vatsan täyteys. Näiden signaalien perusteella se käynnistää nälän tai kylläisyyden tunteen. Tätä hypotalamuksen toimintoa pidetään tärkeänä laihtumisohjelmien onnistumisen tai epäonnistumisen ymmärtämiseksi. Hypotalamus-aivolisäke-lisämunuaisen akselin toimintahäiriöillä voi olla merkitystä joissakin syömishäiriöissä.
Vaikka hypotalamus lähettää kemiallisia signaaleja endokriiniseen järjestelmään, se lähettää hermosignaaleja autonomiseen hermostoon. Yhteyden kautta autonomiseen hermostoon hypotalamus ohjaa pulssia, verenpainetta, hengitystä ja ruoansulatusta. Se kerää aistitietoja sisäelimistä, iholta, silmistä, verisuonista ja muualta. Hypotalamus tulkitsee jatkuvasti näitä tietoja ja lähettää hermosignaaleja, jotka aktivoivat tarvittaessa autonomisen hermoston sympaattisia ja parasympaattisia järjestelmiä. Päätavoitteena on säilyttää homeostaasin tila kehossa.
Vammat, infektiot, geneettiset häiriöt ja muut tilat voivat muuttaa hypotalamuksen toimintaa. Tämä voi aiheuttaa monenlaisia toimintahäiriöitä monimutkaisissa järjestelmissä, jotka ohjaavat endokriinisiä rauhasia ja autonomista hermostoa. Lapsilla toimintahäiriö voi johtaa liialliseen tai heikentyneeseen kasvuun ja murrosikään, joka on liian aikaista tai liian myöhäistä. Kilpirauhasen tai lisämunuaisen toiminta voi olla yliaktiivista tai vajaatoimintaa, mikä vaikuttaa lukuisiin aineenvaihduntaprosesseihin. Syömishäiriöitä ja liiallista janoa tai virtsaamista saattaa esiintyä.
Emotionaaliset ja niihin liittyvät fyysiset ongelmat voivat ilmetä, jos hypotalamus on heikentynyt. Kyvyttömyys tulkita tarkasti ja reagoida aistien syöttöön voi johtaa masennukseen, unihäiriöihin tai yliaktiivisuuteen. Koska hypotalamuksella on merkitys tunteisiin ja käyttäytymiseen sekä autonomiseen hermostoon, mikä tahansa toiminnan heikkeneminen voi muuttaa tapaa, jolla henkilö reagoi stressiin. Uskotaan, että immuunijärjestelmän toiminta liittyy myös hypotalamukseen. Tämän seurauksena tämän rakenteen heikentyminen voi johtaa vialliseen immuunivasteeseen.