Certains neurones de l'hypothalamus sont en mesure de sécréter des hormones : neurosécrétion. Les hormones ainsi formées dans la cellule nerveuse ne sont pas libérées, comme les médiateurs, dans un espace synaptique mais directement dans le sang.
Les hormones des neurones neurosécréteurs de l'hypothalamus moyen sont synthétisées dans le réticulum endoplasmique du soma. Ensuite, elles passent dans l'appareil de Golgi où elles sont incluses dans des granules de 100 à 300 nm de diamètre, limités par une membrane. Dans les axones, ces granules migrent vers les terminaisons nerveuses (transport axoplasmique).
L'ocytocine et l'ADH sont transportées de cette manière jusqu'au lobe postérieur de l'hypophyse et les releasing hormone jusqu'à l'éminance médiane de l'hypothalamus.
Au niveau des terminaisons nerveuses, la libération dans le sang des granules contenant les hormones se fait grâce aux potentiels d'action. Comme lors de la libération des neurotransmetteurs, le Ca2+ pénètre dans la terminaison nerveuse. La durée des potentiels d'action dans les nerfs neurosécréteurs est 10 fois plus grande que dans les autres nerfs, ce qui assure une libération d'hormone suffisante. Les hormones du lobe postérieur de l'hypophyse, c'est-à-dire l'hormone antidiurétique (vasopressine) et l'ocytocine, et celles de la médullosurrénale, l'adrénaline et la noradrénaline, passent directement des nerfs neurosécréteurs dans la circulation générale.
Les releasing hormones (RH) (hormones de libération) du lobe antérieur de l'hypophyse (LA) ou adénohypophyse sont, en premier lieu, déversées dans un système porte à partir des neurones neurosécréteurs de l'hypothalamus.
Elles parviennent ainsi, par une voie sanguine courte, au système capillaire du LA, où elles provoquent par l'intermédiaire de seconds messagers la libération des hormones du LA dans la circulation générale.
La régulation de la libération des RH se fait par rétroaction provoquée par la concentration plasmatique de l'hormone hypophysaire concernée ou de l'hormone effectrice.
Pour certaines hormones du lobe antérieur, il existe également des inhibiting hormones (IH) (hormones inhibitrices) provenant également de l'hypothalamus et rejoignant le LA par le système porte. Une diminution de la libération d'une IH a donc pour effet une augmentation de la libération de l'hormone correspondante du LA.
Pour permettre une sécrétion normale de certaines hormones du LA, la présence dans le sang d'hormones supplémentaires est nécessaire. Ainsi, en plus des SRH et SIH, des glucocorticoïdes et des hormones thyroïdiennes participent à la libération de STH.
L'hypothalamus est en relation étroite avec le système limbique, la formation réticulée et (par l'intermédiaire du thalamus) le cortex. Le système endocrinien participe ainsi à la régulation végétative (équilibre énergétique et hydrique, circulation et respiration). Cependant, il est également dépendant du rythme veille-sommeil, de facteurs psychoémotionnels. Des stress peuvent provoquer chez la femme des saignements menstruels par l'intermédiaire d'hormones.
Au niveau du LA, les hormones suivantes sont sécrétées : STH. ACTH (agit sur la corticosurrénale). TSH (agit sur la thyroïde), FSH et LH (ICSH) (agissent sur les ovaires et les testicules) et prolactine (agit principalement sur les glandes mammaires).
L'ACTH, la TSH, la FSH et la LH agissent sur des glandes endocrines subalternes et sont de ce fait des hormones trophiques ou glandulotropes. La prolactine est non glandulotrope, la STH agit des deux manières.
L'hormone de croissance STH contrôle la croissance du squelette et certains processus métaboliques; ici, la somatomédine (provenant du foie) sert d'intermédiaire, par exemple lors de l'incorporation des sulfates ou lors de la synthèse protéique dans le cartilage. La somatomédine C (= insulin-like growth factor = IGF ; action tissulaire semblable à l'insuline) inhibe aussi la libération de la STH dans le LA (rétroaction négative). Sans l'intermédiaire des somatomédines, la STH est lipo- et glycogénolytique. Le LA libère en outre la β-endorphine et une hormone lipotrope β-LPH) dont le rôle physiologique reste encore obscur. Tout comme l'ACTH, ces deux hormones sont formées par la pro-opiomélanocortine (POMC).