甲狀腺腺泡上皮細胞能合成和分泌甲狀腺激素，包括甲狀腺素，又稱四碘甲腺原氨酸（T₄）和三碘甲腺原氨酸（T₃）兩種，均為酪氨酸碘化物。甲狀腺分泌的T₄較T₃多，但T₃的生物活性卻比T₄約強5倍。

碘是合成甲狀腺激素必不可少的元素，主要來自食物。甲狀腺首先通過主動轉運方式將腸吸收入血液的碘攝入腺泡上皮細胞后，再進行T₃、T₄的合成。甲狀腺攝碘、聚碘能力強，臨床常采用測定甲狀腺攝取放射性碘（I¹³¹）的能力來檢測甲狀腺功能。腺泡細胞在合成T₃、T₄過程中，需要過氧化酶催化才能完成，因而能抑制此酶活性的藥物，如硫尿嘧啶，便有阻斷T₃、T₄合成的作用，故可用于治療甲狀腺功能亢進。分泌入血液的甲狀腺激素，有99％以上是與血漿中某些蛋白質結合而被運輸，游離型不到1％，T₃主要是游離型，只有游離型才能進入組織發揮作用。結合型與游離型之間可相互轉變，使游離型在血中能保持正常濃度。血漿中的蛋白質結合碘（PBI）有90％～95％為甲狀腺激素的碘，測定血漿PBI含量，有助于判斷甲狀腺功能有無亢進或減退。