Hipotalamus čini svega oko 4 cm3 tkiva, otprilike 0,3% mozga. Uprkos tome, preko endokrinog i autonomnog sistema koordiniše ravnotežu tečnosti, unos hrane, termoregulaciju, reprodukciju i cirkadijalni ritam - rijetko gdje je odnos veličine i uticaja toliko nesrazmjeran.

Položaj i granice. Hipotalamus leži ispod talamusa i iznad hipofize, ugrađen u pod i dio bočnog zida treće moždane komore. Naprijed-nazad seže od lamina terminalis do ravni iza mamilarnih tijela; odozgo nadole ide od hipotalamičkog sulkusa do baze mozga. Sa strane ga omeđuju subtalamus, unutrašnja kapsula i optički trakt. Pod treće komore, gledano naprijed-nazad, grade optička hijazma, tuber cinereum sa medijalnom eminencijom i infundibularnom drškom, mamilarna tijela, i na samom kraju stražnja perforirana supstanca.

Zone i jedra. Dijeli se na tri regije naprijed-nazad (hijazmatsku, tuberalnu, mamilarnu) i tri zone bočno-medijalno (periventrikularnu, intermedijernu, bočnu). Supraoptičko i paraventrikularno jedro grade krupne, magnocelularne neurone: sintetišu vazopresin i oksitocin, pa ih aksonskim transportom, bez ijedne sinapse usput, kroz hipotalamo-hipofizni trakt šalju do neurohipofize. Osjetljivost je izuzetna - supraoptičko jedro reaguje već na jednoprocentni skok osmotskog pritiska krvi. Arkuatno jedro, u periventrikularnoj zoni tuberalne regije, sadrži sitne, parvocelularne neurone čiji se aksoni preko tuberoinfundibularnog trakta slivaju u medijalnu eminenciju i dalje, preko hipofiznog portalnog sistema, upravljaju adenohipofizom. Dorzomedijalno jedro, u istoj tuberalnoj regiji, učestvuje u izražavanju emocija - njegova stimulacija izaziva agresivno ponašanje koje prestaje čim stimulacija prestane.

Suprahijazmatično jedro je glavni cirkadijalni sat: prima direktan ulaz od mrežnjače preko retinohipotalamičkog puta i tako usklađuje unutrašnje ritmove sa ciklusom svjetlo-tama, uključujući lučenje melatonina, koje pokreće preko simpatičkog puta do pinealne žlijezde. Preoptička oblast, na prelazu hijazmatske regije, sadrži neurone osjetljive na temperaturu jezgra tijela i predstavlja anatomsku osnovu termoregulacije. Ventromedijalno jedro sadrži neurone osjetljive na nivo glukoze i učestvuje u regulaciji sitosti; u perifornikalnim jedrima bočne zone nalaze se neuroni koji luče oreksin, ključan za održavanje budnosti. Stariji model po kojem ventromedijalno jedro djeluje kao "centar sitosti" a bočna zona kao "centar gladi" je prevaziđen - eksperimentalne lezije iz sredine dvadesetog vijeka koje su ga uspostavile bile su neprecizne, iako noviji rad i dalje potvrđuje da ventromedijalno jedro ima centralnu ulogu u regulaciji hranjenja.

Mamilarna tijela primaju vlakna iz forniksa, direktnog produžetka hipokampusa, i dalje ih šalju mamilotalamičkim traktom ka prednjim talamičkim jedrima; šira veza sa limbičkim sistemom ide i preko amigdale, čija vlakna stižu kroz stria terminalis i kraći ventralni amigdalofugalni put.

Endokrina kontrola. Neurosekretorni put opisan gore, od supraoptičkog i paraventrikularnog jedra do neurohipofize, čini jedan kanal kojim hipotalamus upravlja hipofizom. Drugi ide preko arkuatnog jedra i hipofiznog portalnog sistema ka adenohipofizi, releasing i inhibiting hormonima (TRH, GnRH, GHRH, CRH, somatostatin, dopamin). Prolaktin je izuzetak od uobičajenog obrasca: dopamin ga trajno drži prigušenim, pa njegovo lučenje raste tek kad dopaminski dotok padne, umjesto da raste uz poseban releasing hormon kao ostali hipofizni hormoni. Treći, posredniji uticaj na perifernu endokrinu ravnotežu ide preko autonomnog nervnog sistema.

Autonomna kontrola. Podjela na diskretne autonomne "centre" unutar hipotalamusa je pojednostavljenje - podražaj u različitim dijelovima mijenja rad srca, krvni pritisak, disanje i pokretljivost probavnog trakta bez jasnih granica. Ipak, kao gruba orijentacija vrijedi: stimulacija prednjeg dijela pretežno izaziva parasimpatičke efekte, stimulacija zadnjeg pretežno simpatičke. Ovi signali stižu do autonomnih jedara moždanog stabla i kičmene moždine najvećim dijelom kroz medijalni prednjemoždani snop.