Štitnjača je dio endokrinog sustava, a funkcija joj je proizvodnja hormona koji pomažu u regulaciji tjelesnog metabolizma. U štitnjači zdrave stanice normalno rastu, dijele se, a zatim se prestaju dijeliti na sustavan način. Rak štitnjače počinje kada stanice izgube svoju sposobnost da se prestanu razmnožavati, a zatim umiru kako bi inače, ali umjesto toga nastavljaju se dijeliti i razmnožavati kada više nisu potrebne, na kraju stvarajući tumor. Početkom 2011. medicinski istraživači nisu utvrdili točne uzroke raka štitnjače. Priznato je da geni igraju središnju ulogu kao jedan od uzroka raka štitnjače, no otkriveno je da su neovisni čimbenici rizika kao što su zračenje, dob i spol također povezani s nastankom raka štitnjače, pa je relativna važnost gena u odnosu na rizik čimbenici kao uzroci raka štitnjače znanstvenicima su ostali nejasni.
Postoje četiri glavne vrste raka štitnjače: papilarni, folikularni, anaplastični i medularni. Papilarni i folikularni su daleko najčešći tipovi raka štitnjače. U slučaju ovih oblika, medicinski istraživači su uspjeli ustanoviti da su mutacije gena prisutne u značajnom postotku ovih karcinoma. I za anaplastični i za medularni oblik raka štitnjače također je utvrđena genetska povezanost, ali u manjem postotku slučajeva.
Osim genetike, medicinski istraživači su identificirali nekoliko neovisnih čimbenika rizika kao uzroke raka štitnjače. Najčešći čimbenici rizika među uzrocima raka štitnjače su izloženost zračenju, obiteljska anamneza i nedostatak joda. Spol, dob i rasa također su poznati čimbenici rizika.
Izloženost visokim razinama zračenja dokazan je čimbenik rizika za rak štitnjače. Tretmani zračenjem glave i vrata iz medicinskih razloga jedan su od izvora osoba koje primaju visoke doze zračenja. Drugi su posljedice testiranja i uporabe nuklearnog oružja. Konačno, nesreće u nuklearnim elektranama također mogu uzrokovati izloženost zračenju. Izloženost zračenju u djetinjstvu nosi veći rizik od izloženosti u odrasloj dobi.
Obiteljska anamneza gušavosti, koja je benigno povećanje štitnjače, je čimbenik rizika za rak štitnjače. Određena nasljedna stanja, poput Cowdenove bolesti, također povećavaju rizik. Neki oblici raka štitnjače se javljaju u obiteljima zbog defektnih gena koji su naslijeđeni. Prehrane koje sadrže premalo joda čimbenici su rizika za papilarni i folikularni karcinom štitnjače. Konačno, kod žena je veća vjerojatnost da će razviti rak štitnjače, kao i kod ljudi starijih od 40 godina i, u Sjedinjenim Državama, kod bijelaca.