下丘脑与垂体在人体内分泌系统中有着紧密的功能关系。下丘脑能分泌多种释放激素和抑制激素，来调节垂体前叶激素的分泌。比如，下丘脑分泌的促甲状腺激素释放激素会刺激垂体前叶分泌促甲状腺激素，促甲状腺激素又会作用于甲状腺，调节甲状腺激素的合成与分泌。
下丘脑对垂体的激素调节作用
促激素释放激素的分泌：下丘脑会分泌如促性腺激素释放激素等，它能促使垂体前叶分泌促性腺激素，促性腺激素进而影响性腺的发育和性激素的分泌。一般来说，下丘脑分泌的这类激素量虽少，但作用关键。抑制激素的分泌：下丘脑还会分泌生长激素释放抑制激素等抑制激素，来调控垂体生长激素的分泌量，维持生长激素在体内的平衡状态。
垂体对靶腺的调节作用
对甲状腺的调节：垂体前叶分泌的促甲状腺激素作用于甲状腺，促使甲状腺合成和释放甲状腺激素，甲状腺激素能参与调节人体的新陈代谢、生长发育等多种生理过程。正常情况下，垂体分泌的促甲状腺激素量会根据体内甲状腺激素水平进行反馈调节。对肾上腺皮质的调节：垂体分泌促肾上腺皮质激素，它作用于肾上腺皮质，促进肾上腺皮质激素的分泌，肾上腺皮质激素在应激反应、调节糖、蛋白质和脂肪代谢等方面发挥重要作用。
下丘脑 - 垂体 - 靶腺轴的反馈调节
负反馈调节机制：例如甲状腺激素对下丘脑 - 垂体轴的负反馈。当血液中甲状腺激素水平升高时，会抑制下丘脑分泌促甲状腺激素释放激素和垂体分泌促甲状腺激素，从而使甲状腺激素的分泌维持在相对稳定的水平。一般这种反馈调节是动态平衡的，能保证各激素水平在合适范围。正反馈调节情况：在女性月经周期中，排卵前雌激素水平升高，会对下丘脑 - 垂体轴产生正反馈作用，促使促性腺激素大量分泌，引发排卵。不过这种正反馈情况相对特定生理阶段出现。