De thalamus heeft vele functies. Allereerst fungeert hij als relaisstation, of knooppunt. Hij geeft informatie door tussen subcorticale gebieden en de hersenschors. In het bijzonder heeft elk zintuiglijk systeem, behalve ruiken, een thalamuskern die zintuiglijke signalen ontvangt en ze doorstuurt naar de gerelateerde gebieden in de cortex. Voor het gezichtsvermogen bijvoorbeeld wordt de input van het netvlies naar de thalamus gestuurd, die ze op zijn beurt doorstuurt naar de visuele cortex in de occipitale kwab.
Aangenomen wordt dat de thalamus zowel zintuiglijke informatie verwerkt als doorgeeft: elk van de belangrijkste zintuiglijke doorgeefluiken krijgt sterke feedback van de hersenschors.
De thalamus speelt ook een belangrijke rol bij het reguleren van slaap- en waaktoestanden. De kernen van de thalamus hebben sterke verbindingen met de hersenschors. Aangenomen wordt dat deze circuits betrokken zijn bij het bewustzijn. De thalamus speelt een belangrijke rol bij het reguleren van opwinding, bewustzijn en activiteit. Beschadiging van de thalamus kan leiden tot permanente coma.
De thalamus speelt een rol in het basale ganglia systeem, maar dit wordt slecht begrepen. De thalamus werd beschouwd als een "relais" dat alleen maar signalen doorstuurt naar de hersenschors. Maar onderzoek suggereert dat de thalamus selectiever is. Veel verschillende functies zijn gekoppeld aan regio's van de thalamus. Dit is het geval voor de meeste zintuiglijke systemen (behalve het olfactorische systeem), zoals het auditieve, somatische, viscerale, eet- en visuele systeem. Daar veroorzaken specifieke laesies specifieke sensorische stoornissen. Een grote rol van de thalamus is het ondersteunen van de motorische en taalsystemen. Veel van de circuits voor deze systemen worden gedeeld met de thalamus. De thalamus is functioneel verbonden met de hippocampus. Dit is een onderdeel van het hippocampale systeem dat cruciaal is voor het episodische geheugen van de mens.
De informatie voor motorische controle is een netwerk waarbij de thalamus als subcorticaal motorisch centrum betrokken is. In de hersenen van primaten levert de thalamus de specifieke kanalen van de basale ganglia en het cerebellum naar de corticale motorische gebieden. Bij een onderzoek naar de oogbewegingsmotoriek bij drie apen bleken de thalamische gebieden antisaccade oogbewegingen te veroorzaken. Dat is het vermogen om de reflexieve schokkende beweging van de ogen in de richting van een gepresenteerde stimulus te remmen. Ze kijken nog steeds in de richting van de stimulus, maar doen dat op een meer gecontroleerde manier.
Recent onderzoek suggereert dat de mediodorsale (MD) thalamus "de connectiviteit (signaalsterkte) kan versterken van alleen de circuits in de cortex die nodig zijn voor de huidige context. Dit helpt de flexibiliteit (van het zoogdierenbrein) om complexe beslissingen te nemen door de vele associaties waarvan beslissingen afhangen te verbinden met zwak verbonden corticale circuits". Onderzoekers ontdekten dat "het verhogen van de MD-activiteit het vermogen van muizen om te "denken" vergrootte. Dit verlaagde hun foutenpercentage bij het beslissen welke tegenstrijdige zintuiglijke prikkels ze moesten volgen om de beloning te vinden met meer dan 25 procent".
Kortom, de thalamus helpt zoogdieren beter beslissingen te nemen en in hun natuurlijke omgeving te leven.
