垂体分为腺垂体和神经垂体,这两部分的结构和功能均与下丘脑有密切联系。下丘脑与腺垂体之间存在特殊垂体门脉系统,它始于下丘脑附近正中隆起的毛细血管网,然后汇集成几条小血管,通过垂体柄进入腺垂体后,再次形成毛细血管网。由下丘脑基底部促垂体区的肽能神经元产生和分泌的神经激素属肽类激素,称为调节性多肽。该类激素通过垂体门脉系统调节腺垂体的内分泌活动,从而组成下丘脑—垂体门脉系统。下丘脑促垂体区的肽能神经元也接受中枢神经系统的控制,它们与中脑、边缘系统及大脑皮层等处传来的神经纤维形成突触联系。
下丘脑与神经垂体之间有直接的神经联系。下丘脑视上核和室旁核有神经纤维下行到神经垂体,构成下丘脑—垂体束,所合成的血管升压素和催产素沿垂体束纤维的轴浆运输到神经垂体贮存,当神经冲动传来时便由神经垂体释放入血。故把神经垂体看作下丘脑的延伸部分,组成下丘脑—神经垂体系统。