La principale pathologie liée à un dérèglement du fonctionnement des œstrogènes et leurs récepteurs est le cancer du sein hormono-dépendant. En effet, près de 60% des tumeurs cancéreuses mammaires présentent initialement une croissance dépendante des œstrogènes. En revanche, alors que les effets prolifératifs des œstrogènes semblent clairement impliquer ERα, ERβ exercerait plutôt des effets anti-prolifératifs. Paradoxalement, les tumeurs ERα-positives sont souvent moins invasives que les tumeurs ER-négatives et leur pronostic est de fait généralement meilleur. Les tumeurs œstrogéno-dépendantes affectent également d'autres organes, notamment l'utérus (endomètre).
Bien que cela reste à démontrer clairement, les récepteurs ERα et ERβ seraient impliqués dans certains effets protecteurs des œstrogènes dans des maladies neuro-dégénératives telles que la maladie d'Alzheimer, ainsi que suite à certains accidents vasculaires cérébraux. Cependant, la découverte récente d'un troisième récepteur transmembranaire des œstrogènes de la famille des récepteurs couplés aux protéines G, GPR30, complexifie le mécanisme d'action des récepteurs impliqués dans ces effets. De plus, GPR30 semble particulièrement abondant et actif au niveau du système nerveux central.
Les récepteurs nucléaires des œstrogènes ERα et ERβ sont impliqués dans de nombreux processus physiologiques, notamment la fonction de reproduction, aussi bien chez le mâle que la femelle. L'invalidation du récepteur ERα conduit par exemple à la stérilité des souris femelles et mâles. À des degrés divers, les ERs exercent des fonctions au niveau du système nerveux central, du foie, des vaisseaux sanguins, du système immunitaire, des tissus adipeux et osseux.