肾上腺髓质深在皮质之内。肾上腺髓质激素的分泌主要受交感神经的调节，在交感神经兴奋时，促使髓质激素分泌增多，构成交感——肾上腺髓质系统。分泌的激素包括肾上腺素和去甲肾上腺素，均为儿茶酚胺激素，两者基本作用相似，但在作用的强弱及某些细节方面不相同。
（1）肾上腺素加强心肌收缩力和兴奋度，使心跳加快、加强，心输血量明显增加，提高收缩压；而去甲肾上腺素对心脏作用较弱，并在加强心肌收缩力同时，使心跳频率减慢，所以单位时间的心输血量并不改变。
（2）肾上腺素使心脏和骨骼肌的血管扩张，而皮肤和内脏血管收缩，对总的外周阻力影响不大；去甲肾上腺素除对冠状动脉以外的全身血管起强烈的收缩作用，使外周阻力增加，导致舒张压、收缩压均明显增高。
（3）肾上腺素具有使支气管、胃肠道等内脏平滑肌松弛，及瞳孔放大，竖毛肌收缩等作用；去甲肾上腺素也有这些作用，但不如肾上腺素作用强。
（4）肾上腺素可促进糖原和脂肪分解，增加组织耗氧量及产热量；去甲肾上腺素作用较弱。肾上腺髓质激素不是维持生命必需的，机体处于安静状态时，分泌很少。当机体处于紧急情况时，则分泌增多。因为上述一系列功能显然与机体对紧急情况（如恐惧、失血、面临争斗等）的应对能力有关。肾上腺髓质激素可提高机体的警觉性，使神经兴奋，反应灵敏，供氧、供血增加，血糖升高，糖和脂肪分解加速，以提供更多的能量，做好一切应急的准备。肾上腺素常作为药物用于临床抢救过敏性休克和心脏停搏，并治疗支气管哮喘等；而去甲肾上腺素则主要用于抢救急性低血压和周围血管扩张引起的休克等。
肾上腺素和去甲肾上腺素，它们的生物学作用与交感神经系统紧密联系，作用很广泛。当机体遭遇紧急情况时，如恐惧、惊吓、焦虑、创伤或失血等，交感神经活动加强，髓质分泌肾上腺素和去甲肾上腺素急剧增加。使心跳加强加快，心输血量增加，血压升高，血流加快；支气管舒张，以改善氧的供应；肝糖原分解，血糖升高，增加营养的供给。
一种叫嗜铬细胞瘤的疾病最突出的表现是血压的极度升高为特点。由于肾上腺髓质来自胚胎的神经嵴，原始细胞为交感神经母细胞，以后分化为神经节细胞及嗜铬细胞，因此可形成神经母细胞瘤、神经节细胞瘤及嗜铬细胞瘤。嗜铬细胞瘤的80%~90%发生于肾上腺髓质，绝大部分为单侧单发性，偶尔见于双侧，90%为良性，好发于30~50岁。肿瘤细胞可分泌去甲肾上腺素和肾上腺素，以去甲肾上腺素为主，偶尔也分泌多巴胺及其他激素，故临床主要有儿茶酚胺过高的症状，表现为血压增高，多呈间歇性发作，并伴有头痛、发汗、末梢血管收缩、脉搏加快、血糖增高、基础代谢上升等症状。肉眼观，大小不一，平均100克左右，甚至可达2 000克，有包膜，切面灰红色、灰褐色，常见出血、坏死、囊性变及坏死灶。
约75%的神经母细胞瘤为恶性肿瘤，发病率不高，患者在5岁以下。某些患者有家族倾向性，肾上腺髓质为好发部位，神经节细胞瘤则更为罕见的肿瘤，也是发生于儿童的肿瘤，手术切除是这两种肿瘤的主要治疗手段。