Thalamus har många funktioner. Först och främst fungerar den som en förmedlingsstation, eller nav. Den förmedlar information mellan subkortikala områden och hjärnbarken. I synnerhet har varje sensoriskt system utom luktsinnet en thalamisk kärna som tar emot sensoriska signaler och skickar dem till de relaterade områdena i hjärnbarken. När det gäller t.ex. synen skickas signaler från näthinnan till thalamus, som i sin tur skickar dem till den visuella hjärnbarken i occipitalloben.
Thalamus tros bearbeta sensorisk information och förmedla den: alla de viktigaste sensoriska förmedlingsområdena får stark feedback från hjärnbarken.
Thalamus spelar också en viktig roll i regleringen av sömn och vakenhet. De thalamiska kärnorna har starka förbindelser med hjärnbarken. Dessa kretsar tros vara inblandade i medvetandet. Thalamus spelar en viktig roll i regleringen av upphetsning, medvetandegrad och aktivitet. Skador på thalamus kan leda till permanent koma.
Thalamus har en roll i basalgangliasystemet, men den är dåligt känd. Thalamus har betraktats som en "relä" som bara vidarebefordrar signaler till hjärnbarken. Men forskning tyder på att thalamus är mer selektiv. Många olika funktioner är kopplade till regioner i thalamus. Detta gäller för de flesta sensoriska system (utom luktsystemet), t.ex. hörsel-, somatiska sensoriska, viscerala, ätande och visuella system. Där orsakar specifika skador specifika sensoriska brister. En viktig roll för thalamus är att stödja de motoriska och språkliga systemen. En stor del av kretsarna för dessa system delas med thalamus. Thalamus är funktionellt kopplad till hippocampus. Detta är en del av hippocampus-systemet som är avgörande för människans episodiska händelseminne.
Informationen för motorisk kontroll är ett nätverk där thalamus ingår som ett subkortikalt motoriskt centrum. I primaternas hjärnor tillhandahåller thalamus de specifika kanalerna från basalganglierna och lillhjärnan till de kortikala motoriska områdena. Vid en undersökning av ögonrörelsens motoriska svar hos tre apor visade sig thalamusregionerna orsaka antisackade ögonrörelser. Det vill säga förmågan att hämma den reflexmässiga ryckrörelsen av ögonen i riktning mot ett presenterat stimulus. De tittar fortfarande i stimulusets riktning, men gör det på ett mer kontrollerat sätt.
Ny forskning tyder på att den mediodorsala thalamus kan "förstärka konnektiviteten (signalstyrkan) i just de kretsar i cortex som behövs i det aktuella sammanhanget". Detta bidrar till flexibiliteten (i däggdjurshjärnan) att fatta komplexa beslut genom att koppla in de många associationer som besluten beror på i svagt sammankopplade kortikalkretsar". Forskarna fann att "ökad MD-aktivitet ökade mössens förmåga att "tänka". Detta sänkte deras felprocent med mer än 25 procent när de bestämde vilka motstridiga sensoriska stimuli de skulle följa för att hitta belöningen".
Kort sagt bidrar thalamus till att göra däggdjur effektivare när det gäller att fatta beslut och leva i sin naturliga miljö.
