Hyper- ja hypotyreoosin diagnostiikassa tärkeimmät kokeet ovat seerumin tyreotropiinin (TSH) ja vapaan tyroksiinin (T4v) pitoisuusmääritykset. Myös kokonaistyroksiinin (T4), kokonaistrijodityroniinin (T3) ja vapaan trijodityroniinin (T3v) määrityksiä tarvitaan. Vapaiden kilpirauhashormonien pitoisuuksien määrittämiseksi on useita periaatteeltaan erilaisia immunokemiallisia menetelmiä. Rutiinimenetelmät mittaavat vapaita fraktioita luotettavasti, mikäli kantajaproteiinien pitoisuudet eivät poikkea selvästi normaalista eikä veressä ole patologisia kantajaproteiineja tai T4(T3)-vasta-aineita. Referenssimenetelmät perustuvat tasapainodialyysiin tai ultrafiltraatioon, joihin veren proteiinimuutokset eivät mitenkään vaikuta. Ongelmalliset potilaat onkin syytä tutkia dialyysillä. Seerumin T4 ja T3 ovat käyttökelpoisia toimintakokeita vain, mikäli kantajaproteiinimuutoksia ei esiinny. Uudet herkät TSH-menetelmät antavat oikean tuloksen, jos veressä ei ole määritystä häiritseviä vasta-aineita. Hormonipitoisuuksiin vaikuttavat myös muut kuin kilpirauhasperäiset taudit, eräät lääkkeet, raskaus ja potilaan ikä.