Il TSH agisce direttamente sulla cellula follicolare della tiroide, promuovendo la sua crescita, proliferazione e la sua attività. I recettori del TSH nella cellula follicolare, tramite la trasduzione del segnale e l'azione della proteina G fanno aumentare i livelli plasmatici di AMP ciclico. I geni del trasportatore NIS e della tireoglobulina hanno siti regolatori mediati dai livelli di AMP ciclico e, quando essi sono elevati, la sintesi di NIS e tireoglobulina è aumentata. Così, il TSH fa aumentare l'attività degli enzimi responsabili per la sintesi degli ormoni tiroidei.