甲狀腺激素是在甲狀腺濾泡上皮細胞內合成的。首先，血液中的碘離子（I-）被甲狀腺濾泡上皮細胞“吸入”其內部，濾泡上皮細胞有一種獨特的本領，將“吸入”其內部的I-進行氧化，形成“活性碘”備用。

此外，濾泡上皮細胞還有合成甲狀腺球蛋白（Tg）的功能，這種蛋白含有酪氨酸，也是合成甲狀腺激素的原料，“活性碘”形成後，就和甲狀腺球蛋白上面的酪氨酸發生反應。使其發生碘化，形成碘化的酪氨酸，即3-碘酪氨酸和3，5-二碘酪氨酸。然後，位於甲狀腺球蛋白上的兩個3，5-二碘酪氨酸“手拉手”偶聯在一起，就形成了甲狀腺素（T）；一個3，5-二碘酪氨酸與一個3-碘酪氨酸“手拉手”偶聯在一起，就形成了另一種甲狀腺激素：三碘甲腺原氨酸（T）。

甲狀腺激素（T和T）合成後仍保留在甲狀腺球蛋白（Tg）上，儲存在由濾泡上皮細胞手拉手圍成的濾泡腔中，儲存的激素量很大，足夠機體使用50～120天。機體需要甲狀腺激素時，濾泡上皮細胞就把濾泡腔中帶有T和T的甲狀腺球蛋白“吸入”細胞內部，將T和T從甲狀腺球蛋白上解離下來，釋放入血液中，供機體利用。

甲狀腺激素在體內代謝，部分從腎臟直接濾出，部分在體內降解後排出。其在體內降解途徑：①經脫碘後排出；②經側鏈降解後排出。