Patofisiologi kanker tiroid tidak sepenuhnya didefinisikan. Perubahan dari beberapa faktor molekuler yang telah dikaitkan dengan keganasan tiroid. Ini termasuk faktor proliferatif seperti hormon pertumbuhan dan onkogen, dan faktor penghambat apoptosis dan sel-siklus seperti penekan tumor.
Perilaku fisiologis tergantung pada jenis tumor. Kanker tiroid dianggap mencerminkan sebuah kontinum dari sumur dibedakan anaplastik, ditandai dengan awal dan akhir peristiwa genetik. Sampai dengan sepertiga dari pasien dengan kanker tiroid dibedakan pengalaman tumor de-diferensiasi, disertai dengan peningkatan tumor grade dan hilangnya fungsi tiroid-spesifik seperti akumulasi yodium.
Karsinoma papiler cenderung menyebar ke kelenjar getah bening lokal, sedangkan sel folikel dan Hurthle lebih sering menyebar pada hematogen. Kanker tiroid anaplastik sangat langka, agresif, karsinoma dibedakan dengan kecenderungan tinggi untuk invasi lokal dan penyebaran metastasis.