人和多数动物的垂体血液供应直接来自双侧颈内动脉的分支，主要包括垂体上动脉（superior hypophyseal artery）、垂体中动脉（middle hypophyseal artery）和垂体下动脉（inferior hypophyseal artery）。三组动脉分别分布到漏斗（正中隆起）、垂体柄和垂体神经部，并在垂体周围形成动脉环。垂体门脉系统主要由双侧垂体上动脉分支后形成，后者由颈内动脉海绵窦部直接分支，双侧吻合后经垂体前上方进入正中隆起和垂体柄处，先分支并吻合成袢状窦样毛细血管网，形成垂体门脉系统的初级毛细血管丛（primary capillary plexus），并可分为正中隆起处表面的浅丛和实质内的深丛。此部毛细血管内皮外贴附着来自下丘脑促垂体区小细胞神经元（parvocellular neuron; PvC）的轴突末梢。初级毛细血管丛汇合成若干条垂体门静脉，沿垂体柄和结节部下行至远侧部，在腺垂体实质内再次分支并吻合为丰富的血窦，形成次级毛细血管丛（secondary capillary plexus）。垂体门脉系统的上、下两处毛细血管均为有孔型内皮细胞所组成，有明显的血管周间隙，具有很大的通透性，便于肽类激素跨毛细血管壁出入。流入垂体静脉的血液最后大多汇入海绵窦，进入体循环静脉系统。此外，垂体下动脉也由颈内动脉海绵窦部直接分支，双侧吻合后由垂体后下方进入垂体，在神经垂体实质内分支并吻合为毛细血管网，也可经垂体短门静脉与垂体门脉系统的次级毛细血管丛吻合（见图）。

初级毛细血管丛与次级毛细血管丛分别位于下丘脑正中隆起和腺垂体，二者血流由垂体门静脉相联通，共同组成垂体门脉系统。下丘脑与腺垂体之间可通过垂体门脉系统血流建立功能上的联系。图中箭头表示血流及其方向。垂体门脉系统示意图

垂体门脉系统是下丘脑和腺垂体之间功能联系的结构基础。通常认为腺垂体与下丘脑相邻，虽有少量调控血管的自主神经分布，但无调控垂体功能的神经纤维分布，主要通过垂体门脉系统血流联系二者的功能活动。下丘脑促垂体区分布短轴突的小细胞神经元，它们的轴突末梢直接终止并贴附于初级毛细血管丛内皮细胞。这些神经内分泌细胞轴突末梢释放的下丘脑调节肽等神经激素可直接进入初级毛细血管丛，再经垂体门静脉血流迅速进入次级毛细血管丛，跨越窦壁内皮细胞及窦周间隙扩散到腺垂体实质，调节腺垂体细胞的内分泌活动，而不必经过体循环。下丘脑调节肽对腺垂体功能的体液性调节是机体最典型的神经内分泌活动。因此，垂体门脉系统并非单纯的血液供应管道，更重要的是下丘脑和腺垂体两者间实现细胞通信的结构基础，也是机体实现神经调节和体液调节转化的重要枢纽。

随着研究的深入，人们对下丘脑-垂体之间功能联系的认识有所改变。有人认为腺垂体的内分泌功能除受垂体门脉血流递送的下丘脑激素调节外，很可能还受神经的调节。自20世纪80年代以来，有学者陆续发现腺垂体各部均有神经纤维存在。特别是80年代后期以来，中国学者鞠躬等对垂体进行了系列研究。他们发现猴、犬和大鼠等动物垂体远侧部（腺垂体主要结构）存在多种肽能和胺能神经纤维，而且部分神经纤维末梢与多种腺细胞关系密切，甚至与腺细胞直接形成突触。这些研究结果提示腺垂体功能活动也可能存在神经调节机制。