La medida de los niveles de estradiol es importante para la estimación de la función ovárica y para el seguimiento del desarrollo folicular en los protocolos de reproducción asistida. En mujeres normales no embarazadas, el estradiol es segregado principalmente por la acción combinada de la teca y las células de la granulosa del folículo en desarrollo y el cuerpo lúteo. Durante el embarazo, la placenta es una fuente de secreción de estradiol. El estradiol pasa al torrente sanguíneo, donde 1%–3% no se fija a una proteína, 40% se enlaza a una globulina fijadora de hormonas sexuales (SHBG), y el resto se fija a la albúmina. La función principal del estradiol es estimular el crecimiento de los órganos sexuales femeninos y el desarrollo de las características sexuales.
El estradiol desempeña un papel esencial a lo largo del ciclo menstrual humano. Durante la fase folicular inicial, el nivel de estradiol es relativamente constante y bajo. El día 7, se establece el folículo dominante y el nivel de estradiol aumenta de forma significativa. El elevado nivel de estradiol suprime el nivel de la hormona FSH con una retroalimentación negativa en el hipotálamo y en la glándula pituitaria, y activa el rápido aumento de hormona LH. El nivel de estradiol disminuye notablemente cuando la LH alcanza su pico. Normalmente, la ovulación tiene lugar 10–12 horas después del pico de LH y 24–36 horas después del pico de estradiol. Durante la fase lútea, el nivel de estradiol aumenta, alcanzando un nivel máximo unos 8 días después de la ovulación. El elevado nivel de estradiol interviene en la regresión del cuerpo lúteo. A no ser que se produzca la fertilización del cuerpo lúteo, el nivel de estradiol disminuye, indicando el inicio de un nuevo ciclo. Los niveles de estradiol elevados en mujeres también pueden ser el resultado de una hiperfunción ovárica primaria o secundaria. Durante la inducción de la ovulación aparecen niveles muy altos de estradiol para el tratamiento de reproducción asistida o en el embarazo. Los niveles muy bajos de estradiol en mujeres pueden ser resultado bien de la falta de síntesis ovárica (hipofunción ovárica primaria y menopausia) o una lesión en el eje hipotálamoglándula pituitaria (hipofunción ovárica secundaria). Los niveles de estradiol en hombres son normalmente bajos. Los niveles altos de estradiol en hombres pueden deberse a una alta aromatización de los andrógenos, dando como resultado ginecomastia