D'un point de vue cytoarchitectonique, l'hypothalamus est classiquement subdivisé en trois grandes régions longitudinales, s'étendant d'avant en arrière :

• La région antérieure, ou supra-optique, se trouve au-dessus du chiasma optique et contient des noyaux fondamentaux comme le noyau supra-optique et le noyau paraventriculaire. Ces deux noyaux à grandes cellules magnocellulaires synthétisent l'hormone antidiurétique, ou vasopressine, et l'ocytocine, qui sont ensuite transportées le long de leurs axones jusque dans la post-hypophyse où elles sont stockées et libérées dans la circulation sanguine en réponse à des stimuli osmotiques, volémiques ou lors de l'accouchement et de l'allaitement. Toujours dans cette zone, le noyau suprachiasmatique, une structure minuscule située juste au-dessus du chiasma, agit comme le maître-horloge circadien de l'organisme. Il reçoit directement les influx lumineux en provenance de la rétine par le tractus rétino-hypothalamique, et son activité intrinsèque, générée par des boucles de rétrocontrôle transcriptionnelles de gènes horloges, synchronise les rythmes biologiques sur un cycle proche de vingt-quatre heures. La lésion de ce noyau abolit la rythmicité circadienne de la sécrétion de cortisol, de la mélatonine ou du cycle veille-sommeil. 

• La région tubérale, ou moyenne, est centrée sur l'éminence médiane et la tige pituitaire et inclut le noyau arqué, ou infundibulaire, le noyau ventro-médian et le noyau dorso-médian. Le noyau arqué est un véritable chef d'orchestre neuroendocrinien abritant des neurones parvocellulaires qui sécrètent, dans le sang du système porte hypothalamo-hypophysaire au niveau de l'éminence médiane, la gonadolibérine ou GnRH, commandant la libération des gonadotrophines hypophysaires, ainsi que des facteurs de régulation de l'appétit comme le neuropeptide Y, la protéine agouti-related peptide ou AGRP, les mélanocortines dont l'alpha-MSH, et d'autres médiateurs impliqués dans le métabolisme énergétique. 

• La région postérieure, ou mamillaire, inclut les corps mamillaires et le noyau hypothalamique postérieur. Les corps mamillaires reçoivent des afférences massives de l'hippocampe via le fornix et projettent vers le thalamus antérieur par le faisceau mamillo-thalamique, participant au circuit de Papez et aux processus de mémorisation. La région hypothalamique latérale, moins nucléaire et plus diffuse, est traversée par le faisceau médian du télencéphale et contient des neurones impliqués dans l'éveil, la motivation, l'alimentation, avec des populations distinctes produisant l'orexine, aussi appelée hypocrétine, et l'hormone de mélano-concentration ou MCH, qui jouent un rôle important dans la régulation de l'éveil, de l'appétit et de la récompense.

Les fonctions homéostatiques de l'hypothalamus sont d'une diversité et d'une précision extrêmes. La régulation de la température corporelle met en jeu l'aire préoptique, qui contient des neurones thermosensibles centraux. En réponse à une élévation de la température sanguine, cette région déclenche des mécanismes de thermolyse comme la vasodilatation cutanée et la sudation, tandis que l'hypothalamus postérieur, stimulé par le froid, initie la thermogenèse, le frisson et la vasoconstriction. La fièvre, au cours d'une infection, résulte de la modification du point de consigne hypothalamique par des pyrogènes comme les prostaglandines E2. La balance hydrique est finement contrôlée par l'osmorécepteur hypothalamique et le système de la soif. Une hyperosmolarité plasmatique stimule les neurones de l'organe vasculaire de la lame terminale et de l'organe subfornical, qui activent à la fois la sécrétion de vasopressine pour concentrer les urines et la sensation consciente de soif pour restaurer l'apport hydrique. La régulation de l'équilibre énergétique et du comportement alimentaire repose sur une intégration complexe de signaux périphériques, comme la leptine sécrétée par le tissu adipeux, l'insuline pancréatique ou la ghréline gastrique, au niveau du noyau arqué. Celui-ci active des voies orexigènes, via les neurones à NPY et AGRP, et anorexigènes, via les neurones à pro-opiomélanocortine producteurs d'alpha-MSH, qui projettent ensuite sur les noyaux paraventriculaire et latéral, modulant la prise alimentaire et la dépense énergétique.

Le contrôle de l'axe reproducteur s'effectue par les neurones à GnRH du noyau arqué et de l'aire préoptique, dont la sécrétion pulsatile est essentielle à la stimulation de la synthèse et de la libération de FSH (hormone folliculo-stimulante) et LH  (hormone lutéinisante). La fréquence et l'amplitude des pulses de GnRH codent l'information : une fréquence lente favorise la FSH, une fréquence plus rapide favorise la LH, et le pic ovulatoire de LH est déclenché par une augmentation brutale de fréquence et d'amplitude sous l'effet du rétrocontrôle positif des oestrogènes. L'hypothalamus intègre également les signaux métaboliques et de stress, ce qui explique l'aménorrhée ou l'infertilité fonctionnelle associée à une perte de poids sévère, à un exercice physique excessif ou à un stress chronique, situations où les neurones à GnRH sont inhibés par des afférences kisspeptinergiques, CRH ou opioïdergiques. La réponse au stress engage le noyau paraventriculaire, dont les neurones parvocellulaires produisent la corticolibérine, ou CRH, et la vasopressine, qui stimulent la sécrétion hypophysaire d'ACTH, commandant à son tour la libération de cortisol par les glandes surrénales. Le cortisol exerce un rétrocontrôle négatif direct sur la production de CRH et au niveau hypophysaire, fermant la boucle de l'axe corticotrope. Le même noyau paraventriculaire intègre des afférences provenant du tronc cérébral, de l'amygdale et du cortex préfrontal, modulant la réponse autonome et comportementale au danger.

L'hypothalamus joue aussi un rôle central dans l'orchestration des comportements motivés et des états affectifs. L'hypothalamus latéral, avec ses neurones à orexine, projette de manière diffuse vers le cortex, le tronc cérébral et les noyaux monoaminergiques, et sa dégénérescence est à l'origine de la narcolepsie avec cataplexie, illustrant son rôle irremplaçable dans la stabilisation de l'éveil et l'organisation du sommeil paradoxal. Le noyau ventro-médian est historiquement qualifié de centre de la satiété, tandis que l'hypothalamus latéral a été désigné comme centre de la faim, bien que ces concepts simplistes aient été remplacés par des modèles en réseaux. Les noyaux mamillaires sont impliqués dans la mémoire spatiale et épisodique; leur atteinte, par carence en thiamine dans le syndrome de Korsakoff, provoque une amnésie antérograde profonde avec fabulations. L'hypothalamus module aussi l'agressivité, la peur, le comportement sexuel et l'attachement maternel, via l'ocytocine et la vasopressine libérées de manière centrale, agissant comme neuromodulateurs dans le noyau accumbens, l'amygdale et le septum.

Sur le plan clinique, les pathologies hypothalamiques sont variées et souvent sévères en raison de la concentration de fonctions vitales dans un espace réduit. Les tumeurs de la région hypothalamo-hypophysaire, telles que les craniopharyngiomes, les gliomes du chiasma optique ou les germinomes, peuvent se manifester par un retard ou un arrêt de la croissance, un diabète insipide par destruction des noyaux supra-optique ou paraventriculaire, une hyperphagie avec obésité massive par lésion du noyau ventro-médian, des troubles de la thermorégulation, des anomalies du cycle veille-sommeil ou une puberté précoce. Les malformations congénitales comme l'hamartome hypothalamique peuvent être à l'origine d'une puberté précoce centrale par sécrétion ectopique de GnRH ou d'épilepsies gélatiques. Les troubles du comportement alimentaire, l'obésité syndromique, le syndrome de Prader-Willi impliquent directement des dysfonctions hypothalamiques. La compréhension des mécanismes hypothalamiques a permis le développement d'agonistes et antagonistes de la GnRH utilisés en procréation médicalement assistée, en cancérologie hormonodépendante ou pour suspendre la puberté en cas de dysphorie de genre. De même, les antagonistes des récepteurs de l'orexine constituent une nouvelle classe d'hypnotiques, tandis que les modulateurs de la voie leptino-mélanocortine ouvrent des perspectives thérapeutiques dans certaines obésités rares d'origine génétique. Ainsi, l'hypothalamus se révèle être un condensé microscopique de fonctions essentielles, un nœud de commande où la vie végétative rencontre la vie de relation, assurant la survie immédiate et la perpétuation de l'espèce.