Durante la fase di sintesi viene prodotta la tireoglobulina, una glicoproteina sintetizzata all'interno dei tireociti stessi che viene immagazzinata insieme ad una perossidasi dentro vescicole PAS-positive nel versante apicale della cellula. La molecola di tireoglobulina contiene in totale circa 5000 aminoacidi; circa il 10% della massa totale della tireoglobulina è data da carboidrati, mentre meno dell'1% è dato dallo iodio. Nel frattempo, avviene l'assunzione di ioduri dal torrente circolatorio che vengono immessi nelle vescicole dove vengono ossidati dalla perossidasi e quindi legati a residui di tirosina della tireoglobulina. In questo modo è possibile formare una molecola di "monoiodiotirosina" (MIT) se si lega solo un atomo di iodio e la "diiodiotirosina" (DIT) se ne vengono legati due. Dalle combinazioni di queste molecole possono nascere T3 (MIT + DIT) e T4 (DIT+ DIT). In questo modo si sono formati gli ormoni tiroidei su dei supporti tireoglobulinici, il tutto all'interno delle vescicole che vengono poi aperte nel versante apicale per riversare il contenuto nel lume del follicolo e accumularlo sotto forma di colloide.