甲亢的诊断主要通过临床表现、实验室检查等综合判断。一般来说，血清甲状腺功能检查是重要依据，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。
血清甲状腺功能检查指标
促甲状腺激素（TSH）： 正常情况下，血清TSH值一般在0.3~5.0mIU/L之间。甲亢患者由于甲状腺激素分泌过多，会反馈抑制垂体分泌TSH，所以TSH会明显降低，常常低于0.1mIU/L。甲状腺激素（TT4、FT4、TT3、FT3）： 血清总甲状腺素（TT4）正常范围约65~155nmol/L，血清游离甲状腺素（FT4）正常范围约10~25pmol/L，血清总三碘甲状腺原氨酸（TT3）正常范围约1.2~3.4nmol/L，血清游离三碘甲状腺原氨酸（FT3）正常范围约3.1~6.8pmol/L。甲亢患者体内甲状腺激素水平升高，TT4、FT4、TT3、FT3都会显著升高，尤其是FT3和FT4升高更具诊断意义。
甲状腺自身抗体检查
促甲状腺激素受体抗体（TRAb）： 约80%~100%的Graves病（毒性弥漫性甲状腺肿，是甲亢最常见的病因）患者TRAb阳性。如果TRAb明显升高，结合临床表现，对诊断Graves病甲亢很有帮助。甲状腺过氧化物酶抗体（TPOAb）和甲状腺球蛋白抗体（TgAb）： TPOAb正常范围一般小于34IU/mL，TgAb正常范围一般小于40IU/mL。如果这两种抗体升高，提示可能存在自身免疫性甲状腺疾病，如Graves病或桥本甲状腺炎等，对甲亢的病因诊断有一定参考价值。
甲状腺超声检查
形态学改变： 甲亢患者甲状腺超声常表现为甲状腺弥漫性肿大，腺体回声不均匀。而且血流信号丰富，呈现“火海征”，即甲状腺内可见大量分支状、点状彩色血流信号，就像一片火海一样，这是由于甲状腺血流量增加导致的。通过超声检查可以帮助医生了解甲状腺的大小、形态以及血流情况，辅助诊断甲亢，并与其他甲状腺疾病鉴别。