Kilpirauhanen on yksi osa hypotalamus-aivolisäke-kilpirauhas-akselia, joka on malliesimerkki negatiivisen takaisinkytkennän ohjausjärjestelmästä. Kilpirauhasen tyroksiinin ja trijodityroniinin tuotantoa ja eritystä stimuloivat hypotalamuksen hormoni tyrotropiinia vapauttava hormoni ja aivolisäkkeen etummainen hormoni tyrotropiini. Kilpirauhashormonit puolestaan estävät sekä tyrotropiinia vapauttavan hormonin että tyrotropiinin tuotantoa ja eritystä. Kilpirauhashormonin tuotannon väheneminen johtaa lisääntyneeseen tyrotropiinin eritykseen ja siten lisääntyneeseen kilpirauhashormonin eritykseen. Tämä palauttaa seerumin kilpirauhashormonipitoisuudet normaalille tasolle (jos kilpirauhanen ei ole vakavasti vaurioitunut). Sitä vastoin kilpirauhashormonin lisääntynyt tuotanto tai suurten kilpirauhashormoniannosten antaminen estävät tyrotropiinin eritystä. Tämän eston seurauksena seerumin kilpirauhashormonipitoisuudet voivat laskea kohti normaalia tasoa. Kilpirauhashormonin ja tyreotropiinin monimutkaiset vuorovaikutussuhteet pitävät seerumin kilpirauhashormonipitoisuudet kapeissa rajoissa. Jos kilpirauhanen on kuitenkin vakavasti vaurioitunut tai jos kilpirauhashormonia tuotetaan liikaa tyreotropiinistimulaatiosta riippumatta, syntyy kilpirauhasen vajaatoiminta (kilpirauhasen vajaatoiminta) tai kilpirauhasen liikatoiminta (kilpirauhasen liikatoiminta).
Kuten edellä on todettu, suuri osa päivittäin tuotetusta trijodityroniinista syntyy kilpirauhasen ulkopuolisissa kudoksissa tyroksiinin jodipoistumisen seurauksena. Tyroksiinin muuntuminen trijodityroniiniksi vähenee merkittävästi vasteena monille epäsuotuisille olosuhteille, kuten aliravitsemukselle, vammoille tai sairauksille (mukaan lukien infektiot, syöpä sekä maksa-, sydän- ja munuaissairaudet). Trijodityroniinin tuotantoa estävät myös nälkä ja useat lääkkeet, erityisesti amiodaroni, jota käytetään sydämen rytmihäiriöistä kärsivien potilaiden hoitoon. Kussakin näistä tilanteista seerumin ja kudosten trijodityroniinipitoisuudet pienenevät. Tämä trijodityroniinin tuotannon väheneminen voi olla hyödyllinen sopeutuminen nälkään ja sairauteen, koska se vähentää proteiinien hajoamista ja hidastaa ravinteiden käyttöä lämmön tuottamiseen, jolloin kudosten eheys säilyy ja energiavaroja säästyy.
Sikiön kilpirauhanen alkaa toimia noin 12 raskausviikolla, ja sen toiminta lisääntyy asteittain sen jälkeen. Muutaman minuutin kuluessa syntymästä tyrotropiinin eritys lisääntyy äkillisesti, minkä jälkeen seerumin tyroksiini- ja trijodityroniinipitoisuudet nousevat selvästi. Kilpirauhashormonien pitoisuudet laskevat sitten vähitellen ja saavuttavat aikuisten arvot murrosiässä. Kilpirauhashormonin eritys lisääntyy raskaana olevilla naisilla. Siksi kilpirauhasen vajaatoimintaa sairastavat naiset, jotka tulevat raskaaksi, tarvitsevat yleensä suurempia annoksia kilpirauhashormonia kuin silloin, kun he eivät ole raskaana. Iäkkäillä aikuisilla kilpirauhashormonin eritys muuttuu vain vähän verrattuna nuorempiin aikuisiin.