Talamusul are multe funcții. În primul rând, acționează ca o stație de releu, sau hub. Acesta transmite informații între zonele subcorticale și cortexul cerebral. În special, fiecare sistem senzorial, cu excepția mirosului, are un nucleu talamic care primește semnale senzoriale și le trimite către zonele aferente din cortex. De exemplu, pentru vedere, intrările de la retină sunt trimise la talamus, care la rândul său le trimite la cortexul vizual din lobul occipital.
Se crede că talamusul procesează informațiile senzoriale, precum și că le transmite: fiecare dintre principalele zone de releu senzorial primește un feedback puternic din partea cortexului cerebral.
Talamusul joacă, de asemenea, un rol important în reglarea stărilor de somn și de veghe. Nucleii talamici au conexiuni puternice cu cortexul cerebral. Se crede că aceste circuite sunt implicate în conștiință. Talamusul joacă un rol major în reglarea stării de excitație, a nivelului de conștientizare și a activității. Afectarea talamusului poate duce la comă permanentă.
Talamusul are un rol în sistemul ganglionilor bazali, dar acest lucru este puțin cunoscut. Talamusul a fost considerat ca un "releu" care doar transmite semnale către cortexul cerebral. Dar cercetările sugerează că talamusul este mai selectiv. Multe funcții diferite sunt legate de regiuni ale talamusului. Acesta este cazul majorității sistemelor senzoriale (cu excepția sistemului olfactiv), cum ar fi sistemul auditiv, sistemul senzorial somatic, sistemul visceral, sistemul alimentar și sistemul vizual. Acolo, leziuni specifice cauzează deficite senzoriale specifice. Un rol important al talamusului este acela de a susține sistemele motor și de limbaj. O mare parte din circuitele acestor sisteme sunt împărțite cu talamusul. Talamusul este conectat din punct de vedere funcțional cu hipocampul. Acesta face parte din sistemul hipocampal, care este crucial pentru memoria episodică a evenimentelor umane.
Informația pentru controlul motor este o rețea care implică talamusul ca centru motor subcortical. În creierul primatelor, talamusul asigură canalele specifice de la ganglionii bazali și cerebel către zonele motorii corticale. Într-o investigație a răspunsului motor al mișcărilor oculare la trei maimuțe, s-a constatat că regiunile talamice provoacă mișcări oculare antisacadice. Adică abilitatea de a inhiba mișcarea reflexă de sacadare a ochilor în direcția unui stimul prezentat. Aceștia continuă să privească în direcția stimulului, dar o fac într-un mod mai controlat.
Cercetările recente sugerează că talamusul mediodorsal (MD) poate "amplifica conectivitatea (puterea de semnalizare) doar a circuitelor din cortex necesare pentru contextul actual. Acest lucru ajută la flexibilitatea (creierului mamiferelor) de a lua decizii complexe prin conectarea numeroaselor asociații de care depind deciziile în circuite corticale slab conectate". Cercetătorii au constatat că "sporirea activității MD a amplificat capacitatea șoarecilor de a "gândi". Acest lucru a redus cu peste 25% rata lor de eroare în a decide ce stimuli senzoriali conflictuali să urmeze pentru a găsi recompensa".
Pe scurt, talamusul ajută mamiferele să ia decizii mai eficiente și să trăiască în mediul lor natural.
