放射线对甲状腺的潜在影响是复杂的，其机制尚未完全明确。理论上，放射线可以通过抑制滤泡上皮功能，减少功能性滤泡数量，改变血液供应和血管通透性，进而引发免疫反应，导致甲状腺功能异常的表现。高剂量的放射线，如在治疗性131碘剂量下，可能导致急性放射性甲状腺炎，表现为滤泡坏死、急性血管炎、血栓形成和出血，随后是淋巴细胞的浸润和血管硬化。而低剂量的辐射则可能引起慢性改变，如局部滤泡不规则增生、血管玻璃样变和纤维化，伴随淋巴细胞浸润。
一项研究观察到，在放射治疗过程中，血清TSH在甲状腺毒症期会下降，因为放射线刺激甲状腺激素释放并抑制TSH分泌。治疗后进入甲状腺功能减低期，TSH水平上升。接受治疗剂量的外照射可能导致甲状腺毒症，通常在治疗后4至12个月血清TSH显著增加，而前3个月的稳定期过后，TSH会逐渐上升。游离T4是放射诱导甲状腺功能异常的敏感指标，即使在小剂量照射后，甲状腺组织并未出现破坏性改变，推测可能是细胞膜通透性增加导致的过度激素释放。
在亚急性甲状腺炎的进程中，放射治疗期间甲状腺炎症的发生，即急性放射性甲状腺炎，也可能观察到类似的TSH变化。6个月后，TSH水平高于治疗前，但未恢复至基线，提示可能存在滤泡的不可逆损伤。一些研究指出，放射治疗后甲状腺功能减低的发生率增加，可能与放射治疗对甲状腺干细胞的损伤，导致有丝分裂减少，以及血管损伤有关，这些损伤可能随着时间的推移逐渐显现。
放射性甲状腺炎电离辐射可以导致人类甲状腺的不同改变，低剂量(10～1500rad)照射良性和恶性肿瘤发生率明显增加，而较大剂量照射甲状腺功能改变和甲状腺炎更常见，这些改变与射线的剂量和种类、暴露时间、个体差异如年龄、性别、遗传有关。甲状腺功能减退症是甲状腺直接照射损伤的最常见表现。甲状腺直接照射后可以产生多种甲状腺疾病，包括自身免疫性甲状腺炎、Graves病甲状腺功能正常的Grayes突眼、类似无症状甲状腺炎的综合征、甲状腺囊肿单发或多发良性结节乳头状、滤泡状或混合状甲状腺癌。