Insiden kanker tiroid sangat bervariasi dari satu daerah ke daerah lain, meskipun penyakit ini bervariasi dalam keganasan dan berkembang lebih lambat daripada kanker organ lain. Khususnya, beberapa fokus primer sangat kecil dan lesi metastasis sering ditemukan pertama kali dalam praktik klinis. Ada empat jenis utama sebagai berikut. Adenokarsinoma papiler menyumbang 40% hingga 60% kanker tiroid, dan lebih sering terjadi pada wanita remaja. Permukaannya berwarna abu-abu atau abu-abu kecokelatan, dengan tekstur lembut atau keras. Secara mikroskopis, sel-sel kanker tersusun dalam pola papiler di sekitar sumbu fibrovaskular pusat, dengan lebih banyak cabang papiler. Sel-sel kanker berbentuk persegi panjang atau kolumnar pendek dan dicirikan oleh sejumlah kecil kromatin dalam inti, yang transparan atau berbulu dan tidak memiliki nukleolus. Mereka mungkin disertai dengan folikel tiroid sederhana, dan butiran pasir sering hadir dalam interstitium. Sekitar 50% dari kanker ini ditemukan memiliki metastasis di kelenjar getah bening leher, kadang-kadang situs primer ditemukan setelah metastasis, dan dalam beberapa kasus situs primer bahkan terlalu kecil untuk dideteksi. Kanker ini tidak terlalu ganas dan memiliki tingkat kelangsungan hidup 5 tahun sebesar 75%. Adenokarsinoma folikular menyumbang 10%-15% dari kanker tiroid, sebagian besar terlihat pada wanita berusia di atas 50 tahun. Tingkat kelangsungan hidup adalah 30% hingga 40% pada 5 tahun setelah reseksi fokus primer. Secara kasat mata, tumor berwarna putih keabu-abuan, ada yang berbentuk nodular dengan selubung yang tidak lengkap, menyerupai adenoma; ada pula yang secara ekstensif menyusup ke dalam kelenjar tiroid, yang pada gilirannya menginvasi dinding trakea, pembuluh darah leher, otot dan saraf laring. Secara mikroskopis, folikel dengan derajat diferensiasi yang berbeda dapat terlihat. Pada kasus yang terdiferensiasi dengan baik, folikel lebih terstruktur dan anisotropi seluler lebih rendah, sehingga sulit dibedakan dari adenoma. Pada kasus yang berdiferensiasi buruk, terdapat lebih sedikit folikel, folikel-folikel berbentuk tidak beraturan, beberapa memiliki sarang sel yang solid, dan anisotropi seluler lebih jelas. Dalam beberapa kasus, karsinoma terutama terdiri dari eosinofil, sehingga disebut juga karsinoma eosinofilik. Karsinoma yang tidak berdiferensiasi menyumbang sekitar 15% dari kanker tiroid, sangat ganas dan tumbuh dengan cepat. Kebanyakan pasien berusia di atas 50 tahun dan tidak ada perbedaan antara pria dan wanita. Warnanya putih keabu-abuan, sering kali disertai perdarahan dan nekrosis. Ini dapat dibagi menjadi tipe sel kecil, tipe sel raksasa, dan tipe sel spindel menurut histologi. Karsinoma sel kecil terdiri atas sel-sel bulat kecil, yang terdistribusi secara difus dan sangat mirip dengan limfoma ganas. Karsinoma sel raksasa memiliki prognosis terburuk. Secara mikroskopis, sel kanker bervariasi dalam ukuran dan morfologi, dan sering kali mencakup megakariosit dan sel raksasa berinti banyak. Karsinoma meduler adalah karsinoma yang timbul dari sel parafolikular (juga dikenal sebagai sel C) dan menyumbang 5% dari kanker tiroid. Sembilan puluh persen tumor mengeluarkan kalsitonin, dan sebagian juga mengeluarkan CEA, hormon penghambat pertumbuhan, prostaglandin dan hormon serta zat lainnya, yang mengakibatkan peningkatan kadar hormon-hormon ini dalam darah. Secara kasat mata, sebagian besar kasus yang disebarluaskan dimulai sebagai massa tunggal, sedangkan kasus familial sering kali multisentris. Tumor berwarna coklat kekuningan, lunak dan berbatas jelas sehingga sekilas tampak terbungkus. Secara mikroskopis, sel-sel tumor adalah sel-sel kecil, bulat, poligonal atau berbentuk gelendong yang tersusun dalam kelompok atau tali, dengan sesekali pembentukan folikel kecil. Interstitium relatif kaya, sering kali dengan endapan amiloid dan garam kalsium. Secara mikroskopis elektron, sitoplasma sel tumor mengandung butiran neuroendokrin berdiameter 100-250 mm.