甲状腺ホルモンの作用は、甲状腺ホルモン受容体蛋白質を介して起こると考えられている。甲状腺ホルモン受容体は、全身のほとんどの細胞に発現しており、事実上、甲状腺ホルモンの標的器官は全身のすべての細胞といえる。甲状腺ホルモン受容体は核内受容体であり、ホルモンと受容体が結合すると、その複合体は核内DNAに結合し、特定のRNAの転写活性を調節する。
恒温動物では、甲状腺ホルモンの作用により、全身の各細胞では呼吸量、エネルギー産生量が増大する。全身の細胞での基礎代謝量の維持または促進が起こる。