Iodid wird wird nach oraler Aufnahme fast vollständig aus dem Darm resorbiert und gelangt über einen sekundär-aktiven Natrium-Iodid-Symport in die Follikelepithelzellen der Schilddrüse (Iodination). Die Iodid-Peroxidase, die Wasserstoffperoxid als Cosubstrat braucht, oxidiert das Iodid zu elementarem Iod, das dann in die Tyrosinreste des Tyreoglobulins eingebaut wird. Diese Iodierung, die auch als Iodisation bezeichnet wird, erfolgt besonders an Position 3 und z. T. auch an Position 5 des aromatischen Ringes der Tyrosinreste im Thyreoglobulin. Durch oxidative Kondensation werden zwei iodierte Tyrosinreste gekoppelt und es entsteht je nach Anzahl der enthaltenen Iodatome an das Thyreoglobulin gebundenes Liothyronin (Triiodthyronin; T₃) oder Levothyroxin (Tetraiodthyronin; T₄). Das so veränderte Thyreoglobulin wird im Kolloid der Schilddrüsenfollikel gespeichert und bildet einen Vorrat, der für einige Tage reicht.

Durch TSH-Einwirkung (TSH = thyreotropes Hormon) gelangt Thyreoglobulin aus dem Kolloid in die Schilddrüsenzellen, wo durch hydrolytische Spaltung T₃ und T₄ frei und ins Blut sezerniert werden. Dabei ist die freigesetzte Menge von T₄ ungefähr 10 mal höher als die von T₃. Ca. 80 % des T₃, der biologisch aktiveren Form mit der kürzeren Halbwertszeit, werden peripher aus T_4, dem nur schwach wirksamen Prohormon, gebildet. Die Freisetzung von TSH aus der Hypophyse wird durch TRH (Thyreotropin-Releasing-Hormon) aus dem Hypothalamus gesteuert und die zirkulierenden Schilddrüsenhormone haben wiederum eine hemmende Wirkung auf die TSH- und TRH-Freisetzung, womit sich der Regelkreis schließt.

Die physiologischen Wirkungen der Schilddrüsenhormone werden durch Bindung an intrazelluläre Rezeptoren, genauer gesagt ligandengesteuerte Transkriptionsfaktoren, bewirkt, was zu einer veränderten Syntheserate verschiedener Proteine führt. Dabei hat T₃ gegenüber T₄ die 10-fache Affinität zu diesen Rezeptoren.

Bei verschiedenen Erkrankungen kann es zu einer Störung der Schilddrüsenhormonproduktion kommen, in deren Folge die physiologischen Wirkungen nicht mehr ausreichend oder in zu hohem Maße erfolgen.

Schilddrüsenhormone haben folgende Wirkungen:

Bei Kindern kann ein Schilddrüsenhormonmangel zu gravierenden Entwicklungsstörungen, dem sogenannten Kretinismus führen. Es kommt dabei durch eine Verlangsamung des Stoffwechsels zu Entwicklungsverzögerungen des Zentralnervensystems, Missbildungen des Skeletts (Minderwuchs), Schwerhörigkeit und anderem. Dieser Prozess hat seinen Ursprung meist schon in der Schwangerschaft. Sog. Kretins sind körperlich und geistig schwerbehindert.

In den meisten Fällen wird das physiologisch weniger aktive Prohormon Levothyroxin (T₄) gegeben, das eine Halbwertszeit von ca. 7 Tagen hat. Damit ist eine einmal tägliche Applikation völlig ausreichend. Diese sollte eine halbe Stunde vor dem Frühstück erfolgen, da die Resorption durch Nahrung gehemmt wird. Da  Liothyronin (T₃) aus T₄ durch Metabolisierung entsteht, kann auf diese Weise ein gleichmäßiger T₃-Plasmaspiegel ohne Spitzen erzielt werden. Um mit T₃ ähnlich gleichmäßige Spiegel zu erreichen, wäre eine 5-6 x tägliche Anwendung nötig. Bei der Anwendung von Kombinationspräparaten aus T₄ und T₃ entstehen Liothyronin-Spitzen, die bei hohen applizierten Dosen zu vermehrten Nebenwirkungen führen können.

Eine Therapie sollte immer einschleichend begonnen werden, besonders bei Kindern, älteren Patienten und solchen, welche kardial vorgeschädigt sind, sollte dieses berücksichtig werden. Die tägliche Standarddosierungen betragen bei:

Die Dosis sollte 30 Minuten vor dem Frühstück nüchtern eingenommen werden. Nach dem Einschleichen kann eine Dosissteigerung alle 14 Tage um 37,5/7,5 - 50/10 µg Levothyroxin/Liothyronin bis zum Erreichen der gewünschten Stoffwechsellage durchgeführt werden.