Hipotalamus (od grčke riječi ὑπό, ÿpó: ‘ispod’, y θάλαμος, talamos: ‘bračna ložnica’, ‘spavaća soba’) je mala moždana struktura što zauzima jedva 1% ukupnog volumena mozga. Hipotalamus izlučuje niz oslobađajućih hormona ili faktora koji djeluju na izlučivanje odgovarajućih hormona iz prednjeg režnja hipofize. Taj mali dio nadzire niz životno važnih funkcija: tjelesnu temperaturu, srčano bilo, krvni tlak, hranjenje i pijenje, a uz to upravlja i aktivnošću autonomnog živčanog sustava i (preko hipofize) endokrinog sustava. Također ima važnu ulogu u emocijama i motivaciji.
Hipotalamus informacije prima izravno iz unutarnje okoline, a na nju izravno i djeluje. I drugi dijelovi mozga sudjeluju u održavaju homeostaze, ali uglavnom neizravno - ili djelujući na hipotalamus ili potičući one oblike ponašanja što utječu na zbivanja u vanjskoj okolini organizma, pa time i na stanje unutar organizma. Npr. kada vam je hladno, uključite grijalicu i tako hipotalamusu pomognete da održi postojanu tjelesnu temperaturu.