垂体中由间脑底部的神经外胚层向腹侧突出的神经垂体芽发育而成的部分。
神经垂体可分为中间部及神经部。下丘脑视上核和室旁核大细胞神经元分泌精氨酸加压素［AVP，即抗利尿激素（ADH）］和催产素（OXT），这些神经元经过神经轴突由垂体柄延伸并终止于神经垂体，形成下丘脑-垂体束。视上核和室旁核受到刺激后，神经元兴奋，神经冲动传至神经垂体的轴突末梢，使其去极化，引起Ca2+内流，囊泡以出胞方式将血管升压素或催产素与其运载蛋白释放入血。
AVP与OXT是调节机体水平衡的重要激素之一。其生理性升高即可促进肾重吸收水，浓缩尿液并减少尿量，发挥抗利尿作用。在肾脏，AVP还促进肾系膜细胞收缩，减少滤过膜面积，降低肾小球滤过率。AVP抑制肾素释放、促进髓袢升支粗段对小管腔氯化钠的主动重吸收，促进内髓段集合管上皮细胞的尿素转运体向小管外转运，从而保持内髓质的高渗透浓度环境。AVP大量释放可导致皮肤、肌肉和内脏血管收缩，升高血压。在神经系统，血管升压素具有增强记忆，加强镇痛等作用。OXT具有刺激乳腺和子宫的双重作用。婴儿吸吮乳头时，通过乳头感觉神经末梢，将神经冲动传到下丘脑，引起PRL和OXT分泌。OXT作用于乳腺周围的肌上皮细胞，使其收缩促进贮存于乳腺中的乳汁排出，维持乳腺分泌乳汁。雌激素增加子宫对OXT的敏感性，而孕激素的作用则相反。OXT使产后子宫强烈收缩，减少产后流血，但所用剂量属药理效应。