甲状腺激素的分泌主要受下丘脑-腺垂体-甲状腺轴的调节。此外，甲状腺接受植物性 神经（自主神经）的支配，也有一定程度的自身调节功能。
（1）下丘脑-垂体-甲状腺轴的调节
下丘脑释放的促甲状腺激素释放激素（TRH）作用于腺垂体，可促进促甲状腺激素 （TSH）的合成和释放。TSH通过促进甲状腺激素的合成与释放和促进甲状腺细胞增生、 腺体增大，调节甲状腺的功能活动。环境因素的刺激可通过神经系统向下丘脑TRH神经元 传递信息，进而调节TSH和甲状腺激素的合成和释放。如机体受到寒冷刺激时，下丘脑体 温中枢及其相邻的TRH神经元促进TRH的释放，使T₄、T₃释放增加，机体的产热增加。
血中游离的T₄、T₃浓度改变时，对腺垂体TSH的分泌有反馈调节作用。T₄、T₃浓度增高， 可刺激腺垂体促甲状腺激素细胞产生一种抑制性蛋白，能使TSH的合成与分泌减少，并使 腺垂体对TRH的敏感性降低，血中T₄、T₃的浓度亦随之降低。某些地区水和食物中缺碘， 造成机体T₄、T₃合成减少，对腺垂体TSH分泌的反馈性抑制作用减弱，使TSH分泌过高， 导致甲状腺组织代偿性增生肥大，称为地方性甲状腺肿或单纯性甲状腺肿。
（2）植物性神经（自主神经）的调节
植物性神经（自主神经）可调节甲状腺的分泌活动。交感神经肾上腺素能纤维兴奋可促进 甲状腺激素的合成与释放，副交感神经胆碱能纤维兴奋则抑制甲状腺激素的分泌。
（3）自身调节
甲状腺的自身调节，是指甲状腺在不受神经和体液因素影响的情况下，其自身具有适应碘 的供应水平的变化而调节碘的摄取与合成甲状腺激素的能力。这一调节过程较为缓慢且作 用有限。