Le arterie tiroidee superiori destra e sinistra sono rami della carotide esterna e raggiungono l'organo dall'alto. Le arterie tiroidee inferiori di destra e di sinistra, invece, nascono dal tronco tireocervicale della rispettiva succlavia, e decorrono dal basso verso l'alto. In un quarto dei casi è possibile repertare una piccola arteria tiroidea ima, ramo dell'arteria brachiocefalica oppure dell'arteria carotide comune, che raggiunge l'organo dal basso verso l'istmo, decorrendo sulla linea mediana sulla faccia ventrale della trachea.