O estradiol é um estrogênio natural que regula a função reprodutiva em mulheres e, com a progesterona, mantém a gravidez. Em mulheres não grávidas, o estradiol é segregado pelo ovário e pelo corpo lúteo. Acredita-se também que as glândulas suprarrenais e os testículos (nos homens) segregam quantidades mínimas de estradiol. Os níveis de estradiol são mínimos durante a menstruação e no início da fase folicular, aumentando no final da fase folicular até atingir o nível máximo logo antes do surto do hLH (hormônio luteinizante humano), dando início à ovulação. Quando a hLH atinge o nível máximo, os níveis de estradiol diminuem antes de aumentar em novamente na fase lútea. O crescimento endométrico é estimulado pelo estradiol e pela progesterona (segregada pelo corpo lúteo) na preparação para a implantação de um óvulo fecundado. Se não ocorrer a concepção, a secreção do estradiol e da progesterona pelo corpo lúteo diminui, dando início à menstruação. Os níveis de estradiol são usados para monitorar o estado ovulatório. Como os níveis de estradiol refletem a maturação folicular, a medição do estradiol, citada na literatura científica, tem sido utilizada como ferramenta valiosa na avaliação do desenvolvimento sexual em crianças, anovulação e/ou amenorreia, síndrome dos ovários policísticos e causas de infertilidade e menopausa.
Durante a fertilização in vitro, os níveis de estradiol são medidos rotineiramente após a estimulação da gonadotropina para determinar o estado folicular. O estradiol também afeta outras áreas além dos tecidos reprodutivos, como os sistemas cardiovascular, imune e nervoso central. Por este motivo, o estrogênio tem sido investigado na patogênese das doenças cardiovasculares, cânceres dependentes de hormônio e fratura osteoporótica. Níveis anormalmente elevados nos homens são indicativos de síndromes feminizantes, como a ginecomastia.