甲狀腺素是甲狀腺濾泡細胞合成及分泌的激素，以遊離形式釋放入血循環中，大部分迅速與血漿蛋白相結合。結合部分的三碘甲腺原氨酸(T3)、四碘甲腺原氨酸(T4)沒有生物活性，其高低不能反映甲狀腺的功能狀態，只有很小一部分不與蛋白質結合，呈遊離狀態，稱為血清遊離三碘甲腺原氨酸(FT3)、血清遊離甲狀腺素(FT4)。兩者最能直接反映甲狀腺功能狀態，並且不受血中甲狀腺素結合球蛋白濃度及結合力改變的影響。
生理功能:
甲狀腺生成的T3 、T4運送到血液循環中後，與蛋白質結合， FT3、FT4是循環血中甲狀腺激素的活性部分，具有生物活性，與T3、T4在血液中保持相對恆定，維持其正常的生理功能，因此其高低能較準確地反應甲狀腺功能狀態，它不受血中TBG和含碘雜質的影響，近年來已廣泛應用於臨床，其敏感性和特異性均明顯超過總T3(TT3)和總T4 (TT4)。正常值FT49～25 pmol/L;FT33～9pmol/L(RIA)。
甲狀腺受到TSH的作用，釋放甲狀腺激素時，腺上皮細胞先通過吞飲作用把濾泡腔內的甲狀球蛋白吞入腺細胞，在溶酶體蛋白水解酶的作用下，使甲狀球蛋白分解，解脫下來的T4和T3因能抗拒脫碘酶的作用，分子又小，可以透過毛細血管進入血液循環。甲狀球蛋白分子上的T4數量遠遠超過T3，所以分泌的激素中T4約佔總量的90%，T3分泌量較少，但其活性大，是T4的5倍。T4每日分泌總量約96μg，T3約30μg。T4釋放入血後，一部分與血漿蛋白結合，另一部分則呈遊離狀態在血中運輸，兩者之間可以互相轉變，維持T4、T3在血液中的動態平衡，因為只有遊離型，才能進入細胞發揮作用。T3釋放入血後，因為與血漿蛋白的親和力小，主要以遊離型存在。每天約有50%的T4脫碘轉變為T3，故T3的作用不容忽視。
甲狀腺腺細胞有很強的攝取碘的能力。人體每天從飲食攝取100～200μg碘，其中約有1/3碘進入甲狀腺。甲狀腺含碘總量約8000μg，佔全身含碘量的90%，說明甲狀腺具有很強的泵碘能力。甲狀腺功能亢進，泵碘能力超過正常，攝入碘量增加;低下時則低於正常，攝入碘量減少。故臨床把甲狀腺攝取放射性碘(131I)的能力作為常規檢查甲狀腺功能的方法之一。
