Si esegue somministrando al paziente, in regime di ricovero protetto all'interno di un reparto di medicina nucleare, il radioiodio stesso (per la precisione, l'isotopo 131 dello iodio). Questa sostanza, comportandosi esattamente come lo iodio stabile normalmente assunto con la dieta dal paziente, si accumula solo nel tessuto tiroideo residuo e nelle eventuali metastasi linfonodali e a distanza, permettendone la distruzione selettiva mediante il rilascio in loco di un'alta dose di radiazioni. Non è mai stato dimostrato un aumento di incidenza di secondi tumori nei pazienti trattati. Controindicazioni assolute sono la gravidanza in atto e l'allattamento (se non interrotto definitivamente). La quantità di iodio somministrata al paziente col trattamento è molto bassa e quindi non sufficiente a scatenare reazioni in soggetti allergici allo iodio; l'allergia allo iodio pertanto non è una controindicazione.