廣義的甲狀腺激素包括甲狀腺素(T4)、三碘甲腺原氨酸(T3)、反三碘甲腺原氨酸(rT3)、二碘甲腺原氨酸(T2)和一碘甲腺原氨酸(T1)；狹義的甲狀腺激素僅指T2和T3。T4和T3都能發揮生理作用，rT3的作用是很弱的。

甲狀腺激素作用于全身多系統、多器官，除了紅細胞、腦、睪丸和淋巴系統外，全身所有組織的細胞都含有甲狀腺激素受體。它提高機體的代謝率，增加氧耗量，促進生長發育，促使神經系統的分化和成熟。

甲狀腺激素的生理作用包括：

(1)產熱和耗氧

甲狀腺激素加速機體細胞內的氧化速率，增加機體的氧耗量，并產生大量的熱，大量的熱通過皮膚散發及出汗從體內帶走，增加機體的基礎代謝率。

(2)對糖、脂肪和蛋白質代謝的影響

甲狀腺激素加速腸道對營養物質的吸收，生理劑量的甲狀腺激素促使肝臟和肌肉攝取葡萄糖并合成糖原，同時也促使組織對葡萄糖的利用；超生理劑量的甲狀腺激素促使肝臟和肌肉的糖原分解、消耗糖原作用大于促使糖原合成。生理劑量的甲狀腺激素既促使體內膽固醇的合成，又促使膽固醇的分解，甲亢時大量甲狀腺激素促使膽固醇分解的作用大于促合成作用，使血膽固醇降低；甲狀腺功能減退癥（簡稱甲減）時低水平的甲狀腺激素促使膽固醇合成作用大于促分解作用，使血膽固醇水平上升。生理劑量的甲狀腺激素既促使蛋白質的合成，又促使蛋白質的分解，在甲狀腺激素過多的時，對蛋白質的促分解作用大于促合成作用，機體表現為負氮平衡。

（3）對生長和發育作用

甲狀腺激素促使機體的生長，組織形態分化。甲狀腺激素對機體生長起到允許作用，甲狀腺激素和生長激素協同，才能對骨骼發育發揮作用，臨床上即使生長激素分泌正常，當甲狀腺激素缺乏時，兒童生長發育受到影響，骨骺愈合減慢，骨年齡落后實際年齡。甲狀腺激素對牙齒的作用與對骨骼的作用相似，甲狀腺激素缺乏時，患兒表現出牙晚、牙齒不整齊、齲齒多、換牙晚等表現。臨床上當家長不能對患兒甲減發生的時期提供病史時，醫生可以從病人的骨年齡來粗略估計其甲減發生時的可能年齡。

(4)對神經系統的影響

甲狀腺激素對大腦皮層的成熟，尤其對胎兒的神經系統的發育、分化和功能完善有著十分重要的作用，在胎兒和新生兒期發生甲狀腺激素不足時，會導致智力低下、耳聾和呆小癥，成人甲狀腺激素缺乏會導致記憶減退、反應遲鈍。甲狀腺激素過多會造成交感神經系統興奮性增加、心慌、易激動、焦慮等。

(5)對水、鹽代謝的影響

甲狀腺激素缺乏會導致血管通透性增加，組織間隙的鈉潴留，血容量減少和抗利尿激素不恰當分泌綜合征，引起體內水鈉潴留、低鈉血癥、水腫和體重增加。

(6)對心血管系統的影響

甲狀腺激素增加心血管腎上腺素能受體的數目和興奮性，增加對兒茶酚胺的敏感性。甲狀腺激素過多時，引起心率增快、心臟收縮力增強，第一心音亢進和心輸出量增加；甲狀腺激素不足時，引起心率減慢、心臟收縮力減弱、第一心音低鈍和心輸出量減少。

(7)血液系統

甲狀腺激素缺乏時，骨髓組織氧化減慢，造血機能障礙；機體氧化減慢使腎臟產生紅細胞生成素減少；女性甲減因月經過多和營養攝人不足等因素，使病人表現為缺鐵性貧血。 (8)呼吸系統

甲狀腺激素嚴重缺乏時，呼吸功能不足，呼吸中樞對低氧和高碳酸血癥興奮性減低，發生睡眠呼吸暫停，嚴重時會導致呼吸停止。

(9)胃腸道

甲狀腺激素對胃腸道保持一定的動力是必需的，甲狀腺激素過多時胃腸蠕動加快，表現易饑善餓，便次增多；甲狀腺激素減少時胃腸蠕動減慢，表現為納差、不思飲食，便次減少或便秘。