血中游离的T ₄与T ₃浓度的变化对腺垂体TSH的分泌起反馈调节作用。当血中游离的T ₄与T ₃浓度增高时，抑制TSH分泌。实验表明，甲状腺激素抑制TSH分泌的作用，是由于甲状腺激素刺激腺垂体TSH细胞产生一种抑制性蛋白，使TSH的合成与释放减少，并降低腺垂体对TRH的反应性。由于这种抑制作用需要通过新的蛋白质合成，故需几小时后方能出现效果。T ₄与T ₃比较，T ₃对腺垂体TSH分泌的抑制作用较强，血中T ₄与T ₃对腺垂体这种反馈作用与TRH的刺激作用相互拮抗、相互影响，对TSH的分泌起着决定性作用。

T ₄、T ₃对下丘脑TRH细胞的反馈作用机制仍有待于阐明，各家研究结论不一。目前认为，甲状腺激素对TSH分泌负反馈作用的主要机制是调节垂体对TRH的敏感性。细胞内T ₃水平高时，TRH受体下调，垂体促甲状腺细胞对TRH敏感性降低；相反时，发生受体上调，垂体促甲状腺细胞对TRH敏感性增强。