其主要生理功能是控制女性性腺发育、正常月经和性功能，因此又称性腺轴。此外，它还参与机体内环境和物质代谢的调节。

下丘脑分泌促性腺激素释放激素（GnRH）控制腺垂体分泌卵泡刺激素（FSH）和黄体生成素（LH），FSH和LH作用于卵巢调控性激素分泌，而性激素一方面调控子宫内膜发生周期变化，另一方面又对下丘脑－垂体发生反馈性调节。整个轴的每个环节均有其独特的神经内分泌功能，并且互相调节、互相影响。

下丘脑是HPO的启动中心，其弓状核神经细胞分泌促性腺激素释放激素（gonadotropin releasing hormone; GnRH）通过门脉系统脉冲样释放至腺垂体从而调节垂体促性腺激素的合成与分泌，后者作用于卵巢引起卵巢性激素分泌的周期性变化，控制性腺发育。

腺垂体的促性腺激素细胞分泌FSH和LH。FSH是卵泡发育所必需的激素，其主要生理作用包括：①直接促进窦前卵泡及窦卵泡颗粒细胞增殖与分化，分泌卵泡液，促进卵泡生长发育；②激活颗粒细胞合成与分泌雌二醇；③促使卵巢内窦卵泡群的募集；④参与调节优势卵泡的选择与非优势卵泡的闭锁退化；⑤在卵泡期晚期与雌激素协同，诱导颗粒细胞生成LH受体，为排卵及黄素化做准备。LH的主要生理作用包括：①在卵泡期刺激卵泡膜细胞合成雄激素，为雌二醇的合成提供底物；②排卵前促使卵母细胞最终成熟及排卵；③在黄体期维持黄体功能，促进孕激素、雌二醇和抑制素A的合成与分泌。

正常月经周期中，血清FSH浓度于月经期前几天开始上升，在卵泡中期处于高水平，并由于水平升高的雌激素和抑制素B的反馈性抑制，在卵泡晚期FSH水平下降，这种下降可促使优势卵泡的选择。FSH水平在排卵期出现短促的峰值，然后于黄体期降至最低。血清LH水平于月经期前几天开始上升，卵泡期内继续上升。与FSH不同，血清LH值在卵泡晚期升高，于月经第9～10天超过FSH，并于月经中期达到峰值，促使排卵形成。在黄体期逐渐下降，在月经前低至最低水平。

卵巢分泌两种肽类激素。一类包括抑制素（inhibin）和激活素（activin），两者相互拮抗共同调节垂体合成与分泌FSH；另一类为卵泡抑素（follistatin），为一种结合蛋白，有调控激活素的作用。卵巢分泌的甾体激素包括雌激素、孕激素和雄激素。

下丘脑、垂体及卵巢之间的反馈调节包括长反馈、短反馈和超短反馈三种。长反馈指卵巢分泌到循环中的性激素对下丘脑-垂体的反馈作用；短反馈是指垂体激素对下丘脑GnRH分泌的负反馈调节；超短反馈是指GnRH对其本身合成的负反馈调节。

长反馈包括正反馈和负反馈两种。正反馈发生于卵泡期晚期和排卵前。在卵泡期晚期，随着卵泡的发育成熟，当雌激素的分泌达到阈值（≥200皮克/毫升）并维持48小时以上，雌激素即可发生正反馈作用，刺激LH分泌高峰；在排卵前，低水平的孕激素可增强雌激素对促性腺激素的正反馈作用。负反馈发生于卵泡期早期和黄体期。在卵泡期早期，一定水平的雌激素负反馈作用于下丘脑-垂体，抑制GnRH释放，并降低垂体对GnRH的反应性，从而实现对垂体促性腺激素脉冲式分泌的抑制。在黄体期，雌激素协同孕激素对下丘脑有负反馈作用。总之，下丘脑-垂体和卵巢之间存在着很精密的联系，相互促进又相互制约（见图）。这种联系不是孤立的，其他内分泌激素如甲状腺素、肾上腺皮质激素等对垂体也有反馈作用。

下丘脑-垂体-卵巢轴之间的相互关系

此外，HPO的生理活动还受大脑皮层神经中枢的调控，因此神经系统在月经周期的调节中发挥着重要作用，如人体内在环境、外界环境、思想感情的变化都可能引起月经失调。