O eixo hipotalâmico-pituitário-tireoidiano regula a síntese, a liberação e a ação do hormônio tireoidiano. O hormônio liberador de tirotropina (TRH), secretado pelo hipotálamo, estimula a síntese e a liberação de tirotropina ou hormônio estimulador da tireoide (TSH). Por sua vez, o TSH estimula a síntese, a acumulação, a secreção e o metabolismo da tiroxina (T4) e da tri-iodotironina (T3). O sangue contém T3 e T4 seja na forma livre, seja na forma ligada. Mais de 99% de T4 e de T3 circula no sangue ligado a proteínas de transporte, enquanto menos de 1% permanece livre; na maioria dos indivíduos, essa quantidade de hormônio não ligado ou livre está correlacionado com o estado funcional da tireoide. O T4 e o T3 livres regulam o crescimento e o desenvolvimento normais do organismo, mantendo a temperatura corpórea e estimulando a calorigênese. Além disso, o T4 livre e o T3 livre influenciam todos os aspectos do metabolismo dos carboidratos, bem como certas áreas do metabolismo dos lipídeos e das vitaminas. O desenvolvimento fetal e neonatal também necessita de hormônios tireoidianos. Níveis decisivamente altos de T4 livre apoiam os achados clínicos de diagnóstico clínico de hipertireoidismo, enquanto níveis muito baixos de T4 livre, juntamente com achados clínicos adequados, podem confirmar um diagnóstico de hipotireoidismo. Paralelamente a outros testes da tireoide e achados clínicos, a medição dos níveis de T4 livre pode definir os casos duvidosos nos diagnósticos de hipertireoidismo e hipotireoidismo.