具体的确切病因目前还不确定，但从疫情病学调查、肿瘤实验研究和临床观察，甲状腺癌的发生可能与以下因素有关。
(1)放射性损伤
用x射线照射实验鼠的甲状腺，可以促进动物发生甲状腺癌。实验证明，131I改变甲状腺细胞代谢，细胞核变形，甲状腺素合成大幅减少。放射线一方面引起甲状腺细胞异常分裂，引起癌变，另一方面破坏甲状腺不能产生内分泌素，促进甲状腺激素(TSH)的大量分泌也促进甲状腺细胞癌变。
在临床上，很多事实表明甲状腺的发生与辐射的作用有关。特别值得注意的是，婴幼儿期由于胸腺肿大或淋巴腺样增生而接受上纵隔或颈部放射治疗的儿童特别容易患甲状腺癌，因为儿童和少年的细胞增生旺盛，放射线是附加刺激，容易促进肿瘤的形成。成年人接受颈部放射治疗后发生甲状腺癌的机会很少见。
(2)碘和TSH碘摄取过多或缺碘
可改变甲状腺的结构和功能。瑞士地方性甲状腺肿瘤流行区甲状腺癌的发病率比柏林等非流行率高20倍。相反，高碘饮食也容易诱发甲状腺癌，冰岛和日本是碘摄取量最高的国家，甲状腺癌的发现率比其他国家高。这可能与TSH刺激甲状腺增生的因素有关。实验证明，长期的TSH刺激可以促进甲状腺增生，形成结节和癌变。
(3)其他甲状腺病变
临床上报道甲状腺癌、慢性甲状腺炎、结节性甲状腺肿或毒性甲状腺肿发生癌变，但这些甲状腺病变与甲状腺癌的关系尚不确定。
以甲状腺肿瘤为例，甲状腺肿瘤大多为过滤型，仅2~5%为乳头肿瘤的甲状腺癌由腺肿瘤变化而成，大多为过滤型，但实际上甲状腺癌的一半以上为头状癌，甲状腺肿瘤癌变化的发生率也很小
(4)遗传因素
约5~10%的甲状腺髓样癌有明显的家族史，而且经常合并喜欢的铬细胞瘤等，推测这种癌的发生可能与染色体遗传因素有关。
