血液循环中的甲状腺素绝大部分与血浆蛋白（主要是甲状腺素结合球蛋白TBG）结合，仅约0.03%的T4和0.3%的T3以游离形式存在。只有游离甲状腺激素才能进入靶细胞发挥生物效应。部分T4在肝、肾等脏器中转化为T3，其量约占T3总量的70～90%。
游离T3、T4进入靶细胞后，T4转化为T3，后者与其受体的亲合力较T4高20倍，故T3是主要的具活性的甲状腺激素，而T4则被视为激素原。甲状腺激素对机体的作用广泛，具有促进分解代谢（生热作用）和合成代谢的作用，对人正常代谢及生长发育有重要影响，对婴、幼儿中枢神经的发育甚为重要。
甲状腺激素的基本作用是诱导新生蛋白质包括特殊酶系的合成，调节蛋白质、碳水化合物和脂肪三大物质，以及水、盐和维生素的代谢。由于甲状腺激素诱导细胞膜Na+-K+泵的合成并增强其活力，使能量代谢增强。
甲状腺激素（主要是T3）与核内特异性受体相结合，后者发生构型变化，形成二聚体，激活的受体与DNA上特异的序列，甲状腺激素应答元件相结合，从而调控基因（甲状腺激素的靶基因）的转录和表达，促进新的蛋白质（主要为酶）的合成。
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