甲亢的诊断主要依据临床表现、实验室检查等综合判断。一般来说，血清甲状腺功能检查是关键，其中血清促甲状腺激素（TSH）浓度的变化是反映甲状腺功能最敏感的指标。通常TSH降低，同时血清甲状腺素（TT4）、三碘甲状腺原氨酸（TT3）、游离甲状腺素（FT4）、游离三碘甲状腺原氨酸（FT3）升高，就需要考虑甲亢的可能。
血清学检查方面
促甲状腺激素测定： 甲亢患者血清TSH常低于正常水平。因为垂体分泌的TSH受甲状腺激素负反馈调节，甲状腺激素升高会抑制TSH分泌，所以TSH降低是甲亢的重要实验室特征之一。甲状腺激素测定： 血清TT4、TT3、FT4、FT3水平会升高。其中FT4、FT3是循环血中甲状腺激素的活性部分，更能准确反映甲状腺功能状态，甲亢时它们通常明显升高。
影像学检查方面
甲状腺超声： 可以观察甲状腺的大小、形态、血流情况等。甲亢患者甲状腺可能弥漫性肿大，血流信号往往比较丰富，呈现“火海征”，通过超声检查能辅助诊断甲亢，还能帮助鉴别其他甲状腺疾病。甲状腺核素扫描： 能了解甲状腺的摄取功能。甲亢患者甲状腺摄取核素功能增强，扫描可见摄取核素分布均匀且浓聚，有助于明确甲亢的病因和病情严重程度等。
临床表现观察方面
症状表现： 患者可能出现怕热、多汗、心慌、手抖、多食易饥、体重减轻、大便次数增多等症状。比如有些患者会感觉比别人更怕热，稍微活动就大汗淋漓；有的会心率加快，静息时心率可能超过100次/分钟等。体征表现： 可能有甲状腺肿大，质地一般比较柔软，部分患者可触及震颤，听到血管杂音。眼部表现方面，Graves病引起的甲亢可能伴有突眼、眼裂增宽等症状。