Die Schilddrüse ist eine Komponente der Hypothalamus-Hypophysen-Schilddrüsen-Achse, die ein Paradebeispiel für ein System mit negativer Rückkopplung ist. Die Produktion und Sekretion von Thyroxin und Trijodthyronin durch die Schilddrüse werden durch das hypothalamische Hormon Thyreotropin-Releasing-Hormon und das Hypophysenvorderlappenhormon Thyreotropin stimuliert. Die Schilddrüsenhormone wiederum hemmen die Produktion und Sekretion von Thyreotropin-Releasing-Hormon und Thyreotropin. Die verringerte Produktion von Schilddrüsenhormonen führt zu einer erhöhten Thyreotropinsekretion und damit zu einer erhöhten Sekretion von Schilddrüsenhormonen. Dadurch wird die Schilddrüsenhormonkonzentration im Serum wieder auf ein normales Niveau gebracht (sofern die Schilddrüse nicht schwer geschädigt ist). Umgekehrt hemmen eine erhöhte Produktion von Schilddrüsenhormonen oder die Verabreichung hoher Dosen von Schilddrüsenhormonen die Sekretion von Thyreotropin. Infolge dieser Hemmung können die Schilddrüsenhormonkonzentrationen im Serum auf normale Werte sinken. Die komplexen Wechselwirkungen zwischen Schilddrüsenhormon und Thyreotropin halten die Schilddrüsenhormonkonzentration im Serum in engen Grenzen. Ist die Schilddrüse jedoch schwer geschädigt oder kommt es zu einer übermäßigen Produktion von Schilddrüsenhormonen unabhängig von der Stimulation durch Thyreotropin, kommt es zu einer Hypothyreose (Schilddrüsenunterfunktion) oder Hyperthyreose (Schilddrüsenüberfunktion).
Wie bereits erwähnt, wird ein großer Teil des täglich produzierten Triiodthyronins durch Deiodierung von Thyroxin in extrathyreoidalen Geweben gebildet. Die Umwandlung von Thyroxin in Trijodthyronin nimmt als Reaktion auf viele ungünstige Bedingungen wie Unterernährung, Verletzungen oder Krankheiten (einschließlich Infektionen, Krebs, Leber-, Herz- und Nierenerkrankungen) deutlich ab. Die Produktion von Trijodthyronin wird auch durch Hunger und verschiedene Medikamente gehemmt, insbesondere durch Amiodaron, ein Medikament zur Behandlung von Patienten mit Herzrhythmusstörungen. In jeder dieser Situationen sinken die Triiodthyroninkonzentrationen im Serum und im Gewebe. Dieser Rückgang der Triiodthyroninproduktion kann eine vorteilhafte Anpassung an Hunger und Krankheit sein, da er den Abbau von Proteinen verringert und die Verwendung von Nährstoffen zur Wärmeerzeugung verlangsamt, wodurch die Integrität des Gewebes erhalten bleibt und Energieressourcen geschont werden.
Die Funktion der fötalen Schilddrüse beginnt etwa in der 12. Innerhalb weniger Minuten nach der Geburt kommt es zu einem plötzlichen Anstieg der Thyreotropinsekretion, gefolgt von einem deutlichen Anstieg der Serumthyroxin- und Trijodthyroninkonzentrationen. Die Konzentrationen der Schilddrüsenhormone nehmen dann allmählich ab und erreichen in der Pubertät die Werte der Erwachsenen. Die Sekretion von Schilddrüsenhormonen nimmt bei schwangeren Frauen zu. Daher benötigen Frauen mit Schilddrüsenunterfunktion, die schwanger werden, in der Regel höhere Dosen an Schilddrüsenhormonen als Frauen, die nicht schwanger sind. Bei älteren Erwachsenen ändert sich die Schilddrüsensekretion nur wenig im Vergleich zu jüngeren Erwachsenen.