La synthèse des hormones thyroïdiennes nécessite de l'iode (voir figure Synthèse des hormones thyroïdiennes Synthèse des hormones thyroïdiennes $\"Synthèse$ ). L'iode, ingéré dans les aliments et l'eau sous forme d'iodure, est activement concentré par la thyroïde et converti en iode organique (organification) dans les cellules folliculaires par la peroxydase thyroïdienne. Les cellules folliculaires entourent un espace rempli de colloïde (follicule), qui se compose de thyroglobuline, une glycoprotéine contenant de la tyrosine. La tyrosine au contact de la membrane des cellules folliculaires est iodée sur 1 (mono-iodotyrosine) ou 2 (di-iodotyrosine) sites et ensuite couplée afin de produire les 2 formes de l'hormone thyroïdienne.

La mesure de la TSH est le meilleur moyen de déterminer le dysfonctionnement thyroïdien (voir tableau Résultats des tests des fonctions thyroïdiennes dans diverses situations cliniques Résultats des tests des fonctions thyroïdiennes dans diverses situations cliniques $\"Résultats$ ). Des résultats normaux permettent d'exclure une hyperthyroïdie Hyperthyroïdie $\"Hyperthyroïdie\"$ ou une hypothyroïdie Hypothyroïdie $\"Hypothyroïdie\"$ , sauf dans les cas d'hypothyroïdie centrale par pathologie de l'hypothalamus ou de l'hypophyse ou chez les rares patients présentant une résistance hypophysaire aux hormones thyroïdiennes. La TSH sérique peut être faussement basse chez les personnes très malades, en particulier chez les patients recevant des glucocorticoïdes ou de la dopamine (voir Syndrome de basse T3 Syndrome de basse T3 ).

La captation de l'iode radioactif peut être évaluée. Une faible quantité d’iode radioactif est administrée par voie orale ou IV; une caméra détecte alors la quantité d'iode radioactif absorbé par la thyroïde. L'isotope radioactif préféré est l'iode-123, qui expose le patient à un rayonnement minimal (beaucoup moins que l'iode-131). La captation par la thyroïde de l'iode 123 varie largement en fonction de l'ingestion d'iode et est faible chez les patients exposés à un excès d'iode.