정상적인 갑상선의 여포세포 는 거의 증식 하지 않도록 세포의 생성과 사멸이 균형을 이루어 여러 인자들에 의하여 잘 조절되고 있습니다. 그러나 성장을 자극하는 신호가 비정상적으로 증가하거나 혹은 성장을 억제하는 신호가 없어지면 성장을 조절하는 균형이 깨져서 종양 을 형성할 수 있습니다. 이러한 균형을 깨는 대표적인 원인으로 외부 방사선 조사를 들 수 있고 체르노빌 원자력 발전소 사고 이후에 방사성 옥소가 누출되어서 소아 에서 갑상선암의 증가가 있었던 것으로 보아 누출된 방사선 에 노출 되는 경우에도 성장의 조절이 깨지는 것으로 보입니다. 그 외에 성장조절을 하는 유전자 가 돌연변이 를 일으키는 경우에도 갑상선암이 발생할 수 있습니다. 이러한 유전자 의 돌연변이 가 유전 되는 경우의 대표적인 예가 가족성 갑상선수질암 또는 다발성 내분비선종증 이라는 것입니다.

대부분의 갑상선암은 아직 그 원인이 밝혀져 있지 않습니다. 일부 갑상선암에서는 원인으로 방사선이 잘 알려져 있습니다. 체르노빌과 같이 대규모로 방사능이 노출된 지역에는 갑상선암의 발생 빈도가 많이 증가합니다.

또한 어릴 때 여드름이나, 편도선염으로 목에 방사선 투여를 받은 사람 중에 20년 후에 갑상선암 발생 비율이 높다고 합니다.

그 외 유전자 이상도 갑상선암을 일으킬 수 있습니다. 가족성수질암증후군이라 하여 RET 라는 유전자에 돌연변이가 발생하면 갑상선수질암이 발생할 수 있습니다. 그러나 갑상선암에 걸린 사람은 그 원인을 모르는 경우가 대부분입니다.