在甲状腺功能调节中下丘脑-垂体-甲状腺轴是一个主要的反馈环路，对甲状腺功能起到了核心调节作用，下丘脑分泌的促甲状腺激素释放激素刺激腺垂体，腺垂体分泌促甲状腺激素，促甲状腺激素又再次刺激甲状腺细胞合成和分泌甲状腺激素，甲状腺激素还可以通过负反馈调节抑制垂体释放促甲状腺激素，甲状腺激素水平升高可以通过负反馈调节迅速抑制促甲状腺激素释放激素，以及促甲状腺激素的分泌。反之，甲状腺激素水平降低也可以使两者的分泌增加。
垂体释放的促甲状腺激素是控制甲状腺细胞生长，以及甲状腺激素合成、分泌的主要物质，促甲状腺激素可以加速甲状腺球蛋白的再吸收，减少胶质成分，使甲状腺细胞体积增大、血管管径扩张、数量增加、腺体血流量增加，长此以往可以造成甲状腺肿大。促甲状腺激素对碘的转移是双向的，最初甲状腺球蛋白分解增加，碘从甲状细胞内漏出，几个小时后甲状腺对碘的摄取开始增加。
垂体释放的促甲状腺激素呈脉冲式分泌，具有昼夜节律，人的腺垂体每2-6个小时释放一次促甲状腺激素，因为夜间促甲状腺激素脉冲分泌的频率减小、振幅增高，所以夜间促甲状腺激素的分泌多于白天， 在夜间0-4时促甲状腺激素的分泌最为活跃，上午9-12时分泌量减少，因为促甲状腺激素的半衰期较长，大约为50分钟，所以单次采血检测就可以反映循环中的促甲状腺激素水平。