Η TSH εκκρίνεται από τον πρόσθιο λοβό της υπόφυσης και δρα στην κυτταρική μεμβράνη των θυρεοειδικών κυττάρων, όπου με μια σειρά αλυσιδωτών αντιδράσεων, κατορθώνει να διεγείρει την πρόσληψη του ιωδίου από τα θυρεοειδικά κύτταρα, στη συνέχεια την σύνθεση της προ-ορμόνης (θυρεοσφαιρίνη) και τέλος την απελευθέρωση στην κυκλοφορία των θυρεοειδικών ορμονών τριϊωδοθυρονίνης (Τ3) και κυρίως θυροξίνη (Τ4).
Όσον αφορά τον άξονα αλληλορύθμισης υπόφυσης-υποθαλάμου, η έκκριση της θυρεοειδοτρόπου ορμόνης TSH, ρυθμίζεται από τα επίπεδα της υποθαλαμικής ορμόνης TRH, η οποία διεγείρει την έκκριση της TSH. Παράλληλα, μια άλλη υποθαλαμική ορμόνη, η σωματοστατίνη, αναστέλλει την έκκριση της υποφυσιακής TSH.
Ο τρόπος ρύθμισης της έκκρισης της TSH, εξαρτάται και από τον μηχανισμό της παλίνδρομης αλληλορύθμισης μεταξύ του αδένα της υπόφυσης και του θυρεοειδούς αδένα.
Έτσι, η δράση των αυξημένων επιπέδων στην κυκλοφορία των θυρεοειδικών ορμονών, ασκείται στα κύτταρα της πρόσθιας υπόφυσης, αναστέλλοντας την περαιτέρω έκκριση της TSH, όπως και το αντίθετο.Τα μειωμένα επίπεδα των θυρεοειδικών ορμονών στην κυκλοφορία, διεγείρουν την έκκριση της TSH.