甲状腺激素合成的主要原料是碘和酪氨酸，合成的部位是在甲状腺球蛋白上，合成的过程有三步：
（1）聚碘作用：
甲状腺腺泡上皮有很强的聚碘能力，有肠吸收的碘，以I-的形式存在于血液中，甲状腺上皮细胞逆电化学梯度，将血液中的I-转运入腺细胞内。
（2）碘的活化
是一种氧化过程，是在甲状腺过氧化酶的催化下，I-迅速变成了I2或是与过氧化酶形成复合物。I-只有活化才能取代酪氨酸残基上的氢原子。
（3）酪氨酸碘化和碘化酪氨酸的耦联
发生在甲状腺球蛋白上，需要甲状腺过氧化酶的作用。
甲状腺球蛋白的酪氨酸残基上的氢原子被碘原子取代或碘化，首先合成一碘酪氨酸残基（MIT）和二碘酪氨酸残基（DIT），然后两个分子的DIT耦联成T4，一份子MIT和DIT耦联成T3。