A pajzsmirigyrák oka nem ismert, de a pajzsmirigy nagyon érzékeny a besugárzásra. Pajzsmirigyrák gyakrabban alakul ki olyan esetekben, amikor a beteg korábban a fej, nyak vagy mellkasi régióra besugárzást kapott, leggyakrabban nem rákos (jóindulatú) betegségek miatt, még gyermekkorban (a nem rákos megbetegedések kezelésében a besugárzás ma már nem használatos).
Rákos megbetegedés esetén általában nem az egész pajzsmirigy növekszik meg, hanem a pajzsmirigyen belül kisebb, növekvő göbök alakulnak ki. Igaz viszont, hogy a legtöbb pajzsmirigy göb nem rákos elváltozás eredménye, vagyis nem rosszindulatú. Nagyobb eséllyel rákos egy göb, ha csak egy göb van és nem több, ha a göb tömör és nem folyadékkal telt (ciszta), ha a göb nem termel pajzsmirigyhormont, ha a göb kemény tapintatú, vagy ha gyorsan növekszik, végül ha férfibetegben alakul ki.
A pajzsmirigy rákjának általában egyik első jele a nyakon keletkezett fájdalmatlan duzzanat. Ha az orvos a pajzsmirigyben göböt talál, ezt számos vizsgálat követheti. Általában az egyik első vizsgálat a vér pajzsmirigy-serkentő hormon szintjének a vizsgálata (TSH); áll-e fenn hipertireózis. A pajzsmirigy izotópos vizsgálatával eldönthető, hogy a göb termel-e pajzsmirigyhormont; ezt általában akkor végzik el, ha a TSH szintje alacsony. Az ultrahang vizsgálat általában nem sok segítséget nyújt, de választ adhat arra, hogy a göb tömör, vagy folyadékkal telt-e, illetve, hogy vannak-e további göbök is a pajzsmirigyben.
Legtöbbször sor kerül vékonytű biopsziára is, amikor egy kis tűn keresztül mintát vesznek a göbből, és azt mikroszkóppal megvizsgálják. A beavatkozás szinte minden esetben fájdalmatlan, ambulánsan is elvégezhető, esetleg helyi érzéstelenítést igényel. Gyakran ultrahang vezérlés segítségével végzik.
A pajzsmirigyet felépítő számos sejtféleségből mind kiindulhat rákos daganat.
Apapilláris karcinóma (rák)a leggyakoribb típus, a pajzsmirigyrákok 60-70%-áért felelős. Nőkben kétszer- háromszor gyakoribb, mint férfiakban. A papilláris rák gyakoribb fiatalabb korban, idősebbekben viszont gyorsabban nő, és hamarabb ad áttétet a szervezetben. Nagyobb a papilláris rák kialakulásának kockázata, ha a beteg csecsemő- vagy gyermekkorában a nyaki területre besugárzást kapott, akár nem karcinómás elváltozás, akár felnőttkorban valamilyen daganatos betegség miatt.
A papilláris rák a pajzsmirigyen belül nő, időnként azonban áttétet (metasztázist) ad a közeli nyirokcsomókba. Kezelés nélkül a daganat továbbterjedhet távolabbi területekre is.
A papilláris rák majdnem mindig gyógyítható. A 2 cm-nél kisebb göböket a környező pajzsmirigyszövettel együtt távolítják el, habár néhány szakember a teljes pajzsmirigy eltávolítását javasolja. A nagyobb göbök esetében majdnem az egész, vagy az egész pajzsmirigy eltávolításra kerül. Gyakran radioaktív jódot adnak, hogy elpusztítsák a megmaradt pajzm-irigyszövetet és a rákos sejteket. Sokszor nagydózisú pajzsmirigyhormont is adnak, hogy a maradék pajzsmirigyszövet növekedését gátolják.
Afollikuláris ráka pajzsmirigy karcinómák 15%-áért felelős, és általában idősebbekben alakul ki. A follikuláris rák is gyakoribb nőkben, mint férfiakban.
A follikuláris rák a papilláris karcinómánál sokkal agresszívabb módon, a vérárammal terjed (metasztázist ad), a szervezet különböző részeihez juttat így el daganatos sejteket. A follikuláris daganat kezelésének része a pajzsmirigy lehetőség szerinti legnagyobb részének eltávolítása, és a maradék pajzsmirigyszövet elpusztítása az esetleges metasztázisokkal együtt, radioaktív jód segítségével. Ez a rák is gyakran gyógyítható, de kevésbé, mint a papilláris daganat.
Azanaplasztikus ráka pajzsmirigy karcinómák kevesebb mint 5%-a, leggyakrabban idős nőkben fordul elő. Nagyon gyorsan nő, és általában nagy nyaki megnagyobbodást okoz. A szervezetben való szétterjedési hajlama is nagy.
Az anaplasztikus rákban szenvedők 80%-a a kezelés ellenére egy éven belül meghal. Mindazonáltal sikeres gyógyulásról is beszámoltak, főleg, ha a sebészi eltávolítás előtt és után kemoterápiára és besugárzásra is sor került. Ebben a típusú rákban nem segít a radioaktív jód használata.
Amedulláris rákis a pajzsmirigyben keletkezik, de nem azokból a sejtekből, amelyek a pajzsmirigyhormonokat termelik. A daganat az ún. C-sejtekből indul ki. Ezek a sejtek a pajzsmirigyen belül elszórtan helyezkednek el, és a kalcitonin nevű hormont termelik. Ez a rák nagymennyiségű kalcitonint termel. A medulláris pajzsmirigy rák időnként más hormonokat is termel, ezért szokatlan tüneteket okozhat.
Áttéteket ad a nyirokutakon keresztül a nyirokcsomókba és a vér útján a májba, tüdőbe
és csontokba. A medulláris daganat időnként más endokrin daganatokkal együtt fordul elő,
és azokkal az ún. multiplex endokrin neoplázia szindrómát alkotja. 
A kezelés részeként el kell távolítani a pajzsmirigyet. Szükséges lehet további sebészi beavatkozásra annak az eldöntésére, hogy a nyirokcsomókat érinti-e a daganat. Ha a medulláris rák multiplex endokrin neoplázia szindróma része, a betegek több, mint kétharmada meggyógyítható. Nem ilyen kedvezőek a túlélési esélyek akkor, ha a medulláris pajzsmirigyrák önmagában fordul elő.
