精子的产生和雄激素的分泌受到下丘脑—垂体—性腺轴的调控。下丘脑的神经内分泌细胞能够分泌促性腺激素释放激素（GnRH），GnRH能够促进垂体远侧部的促性腺激素细胞分泌卵泡刺激素（FSH）和黄体生成素（LH，又称为间质细胞雌激素）。FSH主要作用于睾丸的生精小管内的支持细胞（Sertoli Cell），促进支持细胞分泌雄激素结合蛋白（ABP），ABP可以与雄激素结合，从而让生精小管内雄激素维持在较高的浓度，这对精子的发生具有极其重要的意义。此外，支持细胞还可以分泌抑制素和激活素，抑制素能够作用于垂体，抑制FSH的分泌，对LH则无明显影响，而激活素的作用则与抑制素相反。LH则主要作用于睾丸间质里的间质细胞（Leydig Cell），一方面LH能够促进间质细胞的成熟，让间质细胞增殖为不成熟型间质细胞并进一步分化为成熟型间质细胞，另一方面又能够促进间质细胞合成和分泌雄激素，而雄激素则对外生殖器、性腺的发育和成熟具有重要的作用。
在下丘脑—垂体—性腺轴中，垂体在调控睾丸的功能的同时，也受到雄激素和抑制素的负反馈调节。当雄激素达到一定的浓度，生精功能达到一定的水平时，雄激素和抑制素就会抑制下丘脑的GnRH和垂体的FSH、LH分泌，而当雄激素水平较低、生精功能不足时，激活素则会促进GnRH、FSH、LH的分泌。因此，在正常情况下，FSH、LH和雄激素的水平都会在一定的水平里面维持相对的恒定。
非梗阻性无精子症的患者往往伴有激素水平的异常，此类患者可以分为两类。第一类是由于下丘脑或垂体的内分泌功能异常导致的无精子症，属于睾丸前不育，该类患者往往FSH和LH的水平较低，从而造成雄激素分泌不足和生精小管内雄激素水平低下，影响了睾丸的发育及其生精功能，此类患者通过内分泌治疗，提高性激素的水平，有可能让睾丸的生精功能好转，精液质量提高。第二类患者的下丘脑—垂体—性腺轴功能并无明显异常，其无精子症是由睾丸自身生精功能衰竭造成，属于睾丸性不育，此类患者的FSH和LH由于生精功能衰竭、雄激素水平低下、抑制素合成不足等原因，其水平往往较正常范围要高，而FSH水平严重偏高则可能成为生精功能衰竭的一个参考。
临床诊疗中性激素水平是一个极其重要的参考，一方面能够鉴别睾丸前不育和睾丸性不育，另一方面在睾丸性不育中FSH和LH也是评估生精功能的一个重要指标，在未受干预的情况下过高的FSH和LH常常与严重低下的生精功能相关联。但是，性激素水平也受到药物调控的影响。部分药物会促进FSH和LH的合成和分泌，通过高水平的FSH和LH来改善生精功能，此时性激素测定中FSH和LH的浓度虽然进一步提高，但其生精功能可能存在一定的好转；部分药物则直接用于改善生精功能，对FSH和LH的分泌则无明显作用，在这种情况下生精功能得到改善、雄激素水平得到提高之后FSH和LH会因为负反馈调节的机制而出现下降。因此，受到药物干预后的性激素水平的参考意义可能不如用药前的检测，患者在就诊时也应该把就诊以来的性激素测定及其用药的情况一起提供给他的医生。
此外，性激素水平能够反映睾丸大体上的生精功能，在FSH、LH过高的情况下睾丸内的部分组织可能还存在局灶的生精功能，因此即使是生精功能严重衰竭的患者，也有一定的可能通过显微取精术找到睾丸里的精子。