T3 e T4 possono essere misurati direttamente. Tuttavia, poiché i due ormoni tiroidei viaggiano legati ad altre molecole, ed è la componente "libera" che è biologicamente attiva, è possibile misurare T3 libero e livelli di T4 liberi. Il T4 è preferito, perché nell'ipotiroidismo i livelli di T3 possono risultare normali. Il rapporto tra ormoni tiroidei legati e non legati è noto come rapporto di associazione dell'ormone tiroideo (THBR). È anche possibile misurare direttamente i principali portatori di ormoni tiroidei, troglobulina e globulina legante la tiroina. La tireoglobulina sarà anche misurabile in una tiroide sana e aumenterà con l'infiammazione e può anche essere utilizzata per misurare il successo della rimozione della tiroide o dell'ablazione. In caso di successo, la tireoglobulina dovrebbe essere non rilevabile. Infine, possono essere misurati gli anticorpi contro i componenti della tiroide, in particolare l'anti-TPO e l'anti-tireoglobulina. Questi possono essere presenti in individui normali ma sono altamente sensibili per le malattie autoimmuni.