O hipotálamo é responsável pela secreção do hormônio luteinizante e hormônio folículo estimulante. Ambos realizam feedback positivo sobre o ovário e testículos para que ocorra a produção de progesterona e estrógeno (nas mulheres) e testosterona (homem).

No homem, o hormônio luteinizante estimula os epiteliócitos sustentadores, situados nos túbulos seminíferos, entre as linhagens germinativas. Suas funções incluem desde a nutrição e maturação dos futuros gametas, bem como a produção de inibina, para controle do eixo hipotalâmico-hipofisário.

O Hormônio Liberador de Gonadotrofinas (GnRH) é produzido no hipotálamo. Realiza feedback positivo sobre a hipófise anterior, que estimula as gônadas a produzirem seus respectivos hormônios. Na mulher, estrógeno e progesterona realizam feedback negativo sobre a hipófise anterior e hipotálamo durante a maior parte do ciclo ovariano.

Caso ocorra a fertilização e um blastocisto consiga chegar ao útero e implantar-se no endométrio, um novo hormônio passa a ser sintetizado pela camada celular que recobre esse blastocisto: a gonadotrofina coriônica humana, um homólogo molecular do hormônio folículo estimulante.

No homem, as células de Leydig estimulam a produção do hormônio luteinizante pelo hipotálamo. Essa atuação tem início na puberdade e garante o surgimento das características sexuais secundárias típicas.