Ο θυρεοειδής αδένας είναι μέρος του ενδοκρινικού συστήματος και η λειτουργία του είναι να παράγει ορμόνες που βοηθούν στη ρύθμιση του μεταβολισμού του σώματος. Στον θυρεοειδή, τα υγιή κύτταρα φυσιολογικά αναπτύσσονται, διαιρούνται και στη συνέχεια παύουν να διαιρούνται με συστηματικό τρόπο. Ο καρκίνος του θυρεοειδούς ξεκινά όταν τα κύτταρα χάνουν την ικανότητά τους να σταματήσουν να αναπαράγονται και μετά πεθαίνουν όπως συνήθως, αλλά, αντί αυτού, συνεχίζουν να διαιρούνται και να πολλαπλασιάζονται όταν δεν χρειάζονται πλέον, σχηματίζοντας τελικά όγκο. Από τις αρχές του 2011, οι ιατροί ερευνητές δεν είχαν καθορίσει ακριβείς αιτίες καρκίνου του θυρεοειδούς. Τα γονίδια αναγνωρίζεται ότι παίζουν κεντρικό ρόλο ως μία από τις αιτίες του καρκίνου του θυρεοειδούς, αλλά ανεξάρτητοι παράγοντες κινδύνου όπως η ακτινοβολία, η ηλικία και το φύλο έχουν επίσης βρεθεί ότι σχετίζονται με την ανάπτυξη καρκίνου του θυρεοειδούς, επομένως η σχετική σημασία των γονιδίων έναντι του κινδύνου παράγοντες ως αίτια του καρκίνου του θυρεοειδούς παρέμεινε ασαφής στους επιστήμονες.
Υπάρχουν τέσσερις κύριοι τύποι καρκίνου του θυρεοειδούς: θηλώδης, θυλακιώδης, αναπλαστικός και μυελικός. Οι θηλώδεις και θυλακιώδεις είναι μακράν οι πιο συχνοί τύποι καρκίνου του θυρεοειδούς. Στην περίπτωση αυτών των μορφών, ιατρικοί ερευνητές μπόρεσαν να διαπιστώσουν ότι υπάρχουν μεταλλάξεις γονιδίων σε σημαντικό ποσοστό αυτών των καρκίνων. Τόσο για την αναπλαστική όσο και για τη μυελική μορφή του καρκίνου του θυρεοειδούς, έχει επίσης εδραιωθεί μια γενετική σύνδεση, αλλά σε μικρότερο ποσοστό περιπτώσεων.
Εκτός από τη γενετική, ιατρικοί ερευνητές έχουν εντοπίσει αρκετούς ανεξάρτητους παράγοντες κινδύνου ως αιτίες καρκίνου του θυρεοειδούς. Οι πιο συνηθισμένοι παράγοντες κινδύνου μεταξύ των αιτιών του καρκίνου του θυρεοειδούς είναι η έκθεση σε ακτινοβολία, το οικογενειακό ιστορικό και η έλλειψη ιωδίου. Το φύλο, η ηλικία και η φυλή είναι επίσης γνωστοί παράγοντες κινδύνου.
Η έκθεση σε υψηλά επίπεδα ακτινοβολίας είναι ένας αποδεδειγμένος παράγοντας κινδύνου για καρκίνο του θυρεοειδούς. Οι θεραπείες με ακτινοβολία στο κεφάλι και το λαιμό για ιατρικούς λόγους είναι μια πηγή ατόμων που λαμβάνουν υψηλές δόσεις ακτινοβολίας. Οι επιπτώσεις από τις δοκιμές και τη χρήση πυρηνικών όπλων είναι ένα άλλο. Τέλος, τα ατυχήματα σε πυρηνικούς σταθμούς ενδέχεται επίσης να προκαλέσουν έκθεση σε ακτινοβολία. Η έκθεση στην ακτινοβολία ως παιδί ενέχει μεγαλύτερο κίνδυνο από την έκθεση κατά την ενήλικη ζωή.
Ένα οικογενειακό ιστορικό βρογχοκήλης, που είναι μια καλοήθης διόγκωση του θυρεοειδούς αδένα, αποτελεί παράγοντα κινδύνου για καρκίνο του θυρεοειδούς. Ορισμένες κληρονομικές παθήσεις, όπως η νόσος Cowden, αυξάνουν επίσης τον κίνδυνο. Ορισμένες μορφές καρκίνου του θυρεοειδούς εμφανίζονται σε οικογένειες λόγω ελαττωματικών γονιδίων που κληρονομούνται. Οι δίαιτες που είναι πολύ χαμηλές σε ιώδιο αποτελούν παράγοντες κινδύνου για θηλώδη και ωοθυλακικό καρκίνο του θυρεοειδούς. Τέλος, οι γυναίκες έχουν περισσότερες πιθανότητες να αναπτύξουν καρκίνο του θυρεοειδούς, όπως και τα άτομα άνω των 40 ετών και, στις Ηνωμένες Πολιτείες, όσοι είναι Καυκάσιοι.