Tarczyca jest częścią układu hormonalnego, a jej funkcją jest wytwarzanie hormonów, które pomagają regulować metabolizm organizmu. W tarczycy zdrowe komórki normalnie rosną, dzielą się, a następnie przestają dzielić w sposób systematyczny. Rak tarczycy zaczyna się, gdy komórki tracą zdolność do zaprzestania reprodukcji, a następnie umierają, jak zwykle, ale zamiast tego dzielą się i namnażają, gdy nie są już potrzebne, ostatecznie tworząc guz. Na początku 2011 roku naukowcy medyczni nie ustalili dokładnych przyczyn raka tarczycy. Uważa się, że geny odgrywają kluczową rolę jako jedna z przyczyn raka tarczycy, ale stwierdzono również, że niezależne czynniki ryzyka, takie jak promieniowanie, wiek i płeć, są związane z rozwojem raka tarczycy, więc względne znaczenie genów w porównaniu z ryzykiem czynniki jako przyczyny raka tarczycy pozostają dla naukowców niejasne.
Istnieją cztery główne typy raka tarczycy: brodawkowaty, grudkowy, anaplastyczny i rdzeniasty. Brodawkowaty i pęcherzykowy są zdecydowanie najczęstszymi typami raka tarczycy. W przypadku tych postaci naukowcy medyczni byli w stanie ustalić, że mutacje genów są obecne w znacznym odsetku tych nowotworów. Zarówno w przypadku anaplastycznej, jak i rdzeniastej postaci raka tarczycy ustalono również powiązanie genetyczne, ale w mniejszym odsetku przypadków.
Oprócz genetyki badacze medyczni zidentyfikowali kilka niezależnych czynników ryzyka jako przyczyny raka tarczycy. Najczęstsze czynniki ryzyka wśród przyczyn raka tarczycy to narażenie na promieniowanie, wywiad rodzinny i brak jodu. Płeć, wiek i rasa są również znanymi czynnikami ryzyka.
Ekspozycja na wysoki poziom promieniowania jest udowodnionym czynnikiem ryzyka raka tarczycy. Radioterapia głowy i szyi z powodów medycznych jest jednym ze źródeł promieniowania osób otrzymujących wysokie dawki promieniowania. Innym przykładem jest upadek z testów i użycia broni jądrowej. Wreszcie awarie elektrowni jądrowych mogą również powodować narażenie na promieniowanie. Narażenie na promieniowanie jako dziecko niesie ze sobą większe ryzyko niż narażenie w wieku dorosłym.
Historia rodzinna wola, które jest łagodnym powiększeniem tarczycy, jest czynnikiem ryzyka raka tarczycy. Niektóre choroby dziedziczne, takie jak choroba Cowdena, również zwiększają ryzyko. Niektóre formy raka tarczycy występują w rodzinach z powodu wadliwych genów, które są dziedziczone. Diety o zbyt niskiej zawartości jodu są czynnikami ryzyka raka brodawkowatego i pęcherzykowego tarczycy. Wreszcie, kobiety są bardziej narażone na rozwój raka tarczycy, podobnie jak osoby powyżej 40 roku życia, a w Stanach Zjednoczonych osoby rasy białej.