Om een hyperthyreoïdie vast te stellen, begint men met het bepalen van TSH in het bloed. Als deze laag is, wordt ook FT4 en zonodig (als de FT4 normaal is) T3 bepaald, die gewoonlijk hoog zijn. Als alleen de T3-concentratie hoog is, spreekt men van een T3-toxicose. De klinische verschijnselen daarbij zijn niet anders dan bij een volledig ontwikkelde hyperthyreoïdie; het treedt op bij ongeveer 15% van de hyperthyreoïdiepatiënten.
Uiteraard zijn hierbij de symptomen en verschijnselen de leidraad en soms - zoals bij de ziekte van Graves - kunnen begeleidende fenomenen, zoals de kenmerkende oogverschijnselen richting geven. Aanvullend bloedonderzoek in de zin van het bepalen van TSH-receptor stimulerende antilichamen kan wijzen op de ziekte van Graves. Deze komen ook voor bij de ziekte van Hashimoto (zie Onderzoek en diagnose ).
Bij twijfel kan een schildklierscintigram een toxisch multinodulair struma of een toxisch adenoom aantonen. Bij zelftoediening van schildklierhormoon (thyreotoxicosis factitia) is er geen opname van radio-isothoop. Bovendien is daarbij het thyreoglobulinegehalte in het bloed onmeetbaar laag. De diagnostiek bij door jodium geïnduceerde thyreotoxicose is niet altijd gemakkelijk, meestal is de opname van radioactief jodium laag, maar zeker niet altijd (zoals bijv. na amiodarone therapie).