Gli ormoni tiroidei agiscono incrociando la membrana cellulare e legandosi al recettore degli ormoni tiroidei TR-α1, TR-α2, TR-β1 e TR-β2, che si legano agli elementi di risposta ormonale e ai fattori di trascrizione per modulare la trascrizione del DNA. Oltre a queste azioni sul DNA, gli ormoni tiroidei agiscono anche all'interno della membrana cellulare o all'interno del citoplasma attraverso reazioni con enzimi, tra cui ATPasi di calcio, adenilato ciclasi e con i trasportatori di glucosio.