Etiologi dan patogenesis hipertiroidisme belum sepenuhnya dipahami. Sel-sel TSH dalam tubuh pasien dengan penyakit ini berada dalam kondisi terhambat, dan TSH dapat meningkat ketika obat antitiroid diberikan secara berlebihan, sehingga menyebabkan hiperplasia dan hipertrofi kelenjar tiroid. Fakta bahwa sumbu hipofisis-tiroid berfungsi normal pada penyakit ini, tetapi sekresi TSH tidak meningkat, bukanlah penyebab penyakit kayu. Penelitian selama 20 hingga 30 tahun terakhir telah menunjukkan bahwa dasar genetik untuk perkembangan penyakit ini terutama disebabkan oleh respons autoimun yang dipicu oleh faktor stres seperti rangsangan mental. Pada tahun 1956, Adams dan Purves pertama kali mengidentifikasi suatu zat dalam serum pasien dengan penyakit ini yang, ketika disuntikkan ke dalam marmut, menstimulasi penyerapan yodium, sintesis dan pelepasan hormon serta hipertrofi kelenjar tiroid, yang efeknya mirip dengan TsH, tetapi lebih lambat dan lebih tahan lama. Sejak saat itu, sejumlah besar penelitian telah menunjukkan bahwa penyakit ini bersifat autoimun, dengan bukti tidak langsung berupa: (i) infiltrasi limfosit yang besar dan sel-sel yang dikemas dalam jaringan tiroid dan retro-okular yang membesar. (iii) Peningkatan limfosit absolut dan % limfosit dalam sirkulasi darah tepi dengan hiperplasia kelenjar getah bening, timus, dan jaringan limfoid viseral. (3) Pasien sendiri dan keluarganya sering mengalami gangguan tiroid autoimun lainnya, seperti tiroiditis pontine, edema mukinosa, dan proptosis infiltratif, baik secara bersamaan maupun berurutan. (3) Endapan IgA IgM dalam kelenjar tiroid. Bukti langsung bahwa penyakit ini bersifat autoimun meliputi hal-hal berikut: (1) dalam hal imunitas humoral, diketahui bahwa berbagai antibodi terhadap komponen sel tiroid, termasuk antibodi perangsang tiroid, atau thyroid-stimulating immunoglobulin (TSI) atau antibodi reseptor TSH (TRAb), terdeteksi pada serum 95% pasien dan memiliki kemampuan untuk menghambat TSH serta berikatan dengan reseptor atau jaringan yang bersangkutan, sehingga mengaktifkan enzim adenylyl cyclase untuk berikatan dengan kelenjar tiroid. Ini akan mengaktifkan adenylyl cyclase dan meningkatkan fungsi sel tiroid. Antibodi ini dapat melintasi plasenta dan menyebabkan hipertiroidisme pada bayi baru lahir. Jika antibodi tetap ada setelah penghentian pengobatan hipertiroidisme, antibodi tersebut dapat menyebabkan kekambuhan. Selain bukti imunitas seluler yang disebutkan di atas, telah terbukti bahwa sistem antibodi ini diproduksi oleh limfosit B. Tidak ada keraguan bahwa penyakit ini adalah penyakit autoimun, tetapi patogenesisnya masih spekulatif, terutama karena penyebab inisiasinya tidak diketahui. Sekarang diyakini bahwa penyakit ini mungkin disebabkan oleh cacat genetik dalam perwalian kekebalan dan regulasi sel Ts tubuh, dan bahwa ketika stabilitas kekebalan tubuh terganggu oleh stres, seperti rangsangan mental atau infeksi, sel-sel “terlarang” tidak terkendali, sehingga mengakibatkan proliferasi sel B yang memproduksi TSI dan sekresi sejumlah besar autoantibodi terhadap TSI dengan bantuan sel Th. Hasilnya adalah proliferasi sel B penghasil TSI yang mengeluarkan sejumlah besar autoantibodi terhadap TSI dengan bantuan sel Th, yang menyebabkan penyakit ini.