Neben einer gründlichen körperlichen Untersuchung des Patienten (ausgiebige Tastuntersuchung von Hals und Schilddrüse sowie der Lymphknoten) gibt eine Ultraschalluntersuchung (Sonographie) Auskunft über die Lage und Größe der Schilddrüse sowie über die Beschaffenheit von Veränderungen an der Schilddrüse und in den Lymphknoten des Halses.

Besteht der Verdacht auf einen Tumor, kann mit Hilfe einer Schilddrüsen-Szintigraphie dieser Verdacht erhärtet oder widerlegt werden. Hierbei handelt es sich um ein bildgebendes Verfahren, bei dem schwach radioaktiv markiertes Jod bzw. Technetium ins Blut gespritzt wird, was sich dann fast ausschließlich im aktiven Schilddrüsengewebe anreichert und anschließend mit Hilfe eines Röntgenfilms sichtbar gemacht werden kann. Hinter Bereichen, in denen hierbei kein radioaktives Jod/Technetium eingebaut wird, kann sich als sog. „kalte Knoten“ ein Schilddrüsenkrebs verbergen. Dabei entspricht jedoch nicht jeder „kalte Knoten“ einem Karzinom, vielmehr ist auch der ganz überwiegende  Teil der „kalten Knoten“ gutartig. 
Um festzustellen, ob ein vorhandener „kalter Knoten“ gut- oder bösartig ist, kann auch eine Feinnadelbiopsie vorgenommen werden. Bei diesem Verfahren werden unter Ultraschallkontrolle mit einer feinen Nadel Zellen aus dem verdächtigen Knoten entnommen und anschließend unter dem Mikroskop untersucht (Zytologie). Findet sich bei der mikroskopischen Untersuchung nur „normales“ Gewebe, ist ein Karzinom allerdings nicht sicher ausgeschlossen.


Blutuntersuchungen geben Aufschluss über die Funktion der Schilddrüse durch Bestimmung der Schilddrüsenhormone Trijodthyronin (T3) und Thyroxin (T4) und des von der Hirnanhangsdrüse gebildeten TSH (Thyroid Stimulating Hormone).Das medulläre Schilddrüsenkarzinom (C-Zell-Karzinom) kann durch die Messung des Hormons Calcitonin nachgewiesen werden. Ein weiterer Marker für diese Form des Schilddrüsenkarzinoms ist das CEA (carcinoembyronales Antigen).
Verschiedene Untersuchungen können somit Hinweise auf des Vorliegen eines Schilddrüsenkarzinoms geben, häufig wird die endgültige Diagnose aber erst durch die Operation und die feingewebliche Aufarbeitung (Histologie) des Präparates gestellt.