下丘腦是大腦皮層下調節內臟活動的高級中樞，它把內臟活動與其他生理活動聯系起來，調節著體溫、攝食、水平衡和內分泌腺活動等重要的生理功能。

體溫調節 動物實驗中觀察到，在下丘腦以下橫切腦干后，其體溫就不能保持相對穩定；若在間腦以上切除大腦后，體溫調節仍能維持相對穩定。現已肯定，體溫調節中樞在下丘腦；下丘腦前部是溫度敏感神經元的所在部位，它們感受著體內溫度的變化；下丘腦后部是體溫調節的整合部位，能調整機體的產熱和散熱過程，以保持體溫穩定于一定水平（參見第九章）。

攝食行為調節 用埋藏電極刺激清醒動物下丘腦外側區，則引致動物多食，而破壞此區后，則動物拒食；電刺激下丘腦腹內側核則動物拒食，破壞此核后，則動物食欲增大而逐漸肥胖。由此認為，下丘腦外側區存在攝食中樞，而腹內側核存在所謂飽中樞，后者可以抑制前者的活動。用微電極分別記錄下丘腦外側區和腹內側核的神經元放電，觀察到動物在饑餓情況下，前者放電頻率較高而后者放電頻率較低；靜脈注入葡萄糖后，則前者放電頻率減少而后者放電頻率增多。說明攝食中樞與飽中樞的神經元活動具有相互制約的關系，而且這些神經元對血糖敏感，血糖水平的高低可能調節著攝食中樞和飽中樞的活動。

水平衡調節 水平衡包括水的攝入與排出兩個方面，人體通過渴感引起攝水，而排水則主要取決于腎臟的活動。損壞下丘腦可引致煩渴與多尿，說明下丘腦對水的攝入與排出均有關系。

下丘腦內控制攝水的區域與上述攝食中樞極為靠近。破壞下丘腦外側區后，動物除拒食外，飲水也明顯減少；刺激下丘腦外側區某些部位，則可引致動物飲水增多。

下丘腦控制排水的功能是通過改變抗利尿激素的分泌來完成的。下丘腦內存在著滲透壓感受器，它能感受血液的晶體滲透壓變化來調節抗利尿激素的分泌；滲透壓感受器和抗利尿激素合成的神經元均在視上核和室旁核內。一般認為，下丘腦控制攝水的區域與控制抗利尿激素分泌的核團在功能上是有聯系的，兩者協同調節著水平衡。

對腺垂體激素分泌的調節 下丘腦的神經分泌小細胞能合成調節腺垂體激素分泌的肽類化學物質，稱為下丘腦調節肽。這些調節肽在合成后即經軸突運輸并分泌到正中隆起，由此經垂體門脈系統到達腺垂體，促進或抑制某種腺垂體激素的分泌。下丘腦調節肽已知的有九種：促甲狀腺激素釋放激素、促性腺素釋放激素、生長素釋放抑制激素、生長素釋放激素、促腎上腺皮質激素釋放激素、促黑素細胞激素釋放因子、促黑色細胞激素釋放抑制因子，催乳素釋放因子、催乳素釋放抑制因子。

對情緒反應的影響 下丘腦內存在所謂防御反應區，它主要位于下丘腦近中線兩旁的腹內側區。在動物麻醉條件下，電刺激該區可獲得骨骼肌的舒血管效應（通過交感膽堿能舒血管纖維），同時伴有血壓上升、皮膚及小腸血管收縮、心率加速和其他交感神經性反應。在動物清醒條件下，電刺激該區還可出現防御性行為。在人類，下丘腦的疾病也往往伴隨著不正常的情緒反應。

對生物節律的控制 下丘腦視交叉上核的神經元具有日周期節律活動，這個核團是體內日周期節律活動的控制中心。破壞動物的視交叉上核，原有的一些日周期節律性活動，如飲水、排尿等的日周期即喪失。視交叉上核可能通過視網膜-視交叉上核束，來感受外界環境光暗信號的變化，使機體的生物節律與環境的光暗變化同步起來；如果這條神經通路被切斷，視交叉上核的節律活動就不再能與外界環境的光暗變化發生同步。