Une fois libérée dans la circulation sanguine, la thyrotrophine se lie aux récepteurs spécifiques situés sur les cellules folliculaires de la glande thyroïde. Cette liaison active une cascade de signaux intracellulaires qui stimule la synthèse et la libération des hormones thyroïdiennes, la T4 et la T3, dans la circulation sanguine. La production et la libération de thyrotrophine sont étroitement régulées par des mécanismes de rétroaction négative. Les niveaux circulants de T4 et de T3 exercent un effet de rétroaction négative sur l'hypothalamus et l'antéhypophyse, inhibant ainsi la libération de TRH et de thyrotrophine lorsque les niveaux d'hormones thyroïdiennes sont élevés. 

Les hormones thyroïdiennes produites en réponse à la stimulation de la thyrotrophine interviennent dans le métabolisme basal, la régulation de la température corporelle, la croissance et le développement, le fonctionnement du système nerveux, et le métabolisme énergétique.