Hầu hết các nhân tuyến giáp ác tính là carcinoma biệt hóa phát triển từ các tế bào nang (carcinoma thể nhú hoặc thể nang) (Bảng 7-2). Các ung thư này vẫn duy trì nhiều tính chất của các tế bào tuyến giáp bình thường: Chúng bắt giữ iod và tổng hợp thyroglobulin, mặc dù hiệu quả kém hơn nhu mô tuyến giáp bình thường. Sự phát triển và chức năng của chúng được kích thích bởi TSH. Ba đặc tính này được dùng trong điều trị và theo dõi carcinoma tuyến giáp.
Loại ung thư tuyến giáp thường gặp nhất là carcinoma thể nhú là một khối u phát triển chậm và có thể khu trú hàng năm. Vị trí di căn đầu tiên đặc trưng là hạch cổ. Thường gặp các ổ rất nhỏ của carcinoma thể nhú trên khám nghiệm tử thi. Do đó, các carcinoma thể nhú nhỏ phát hiện tình cờ ở một tuyến giáp đã được phẫu thuật cắt bỏ do các nguyên nhân khác thường không có nghĩa trên lâm sàng. Carcinoma thể nang có khả năng xâm lấn hơn, có thể di căn phổi và xương sớm. Nhiều ung thư tuyến giáp là phối hợp giữa hình thái thể nhú và thể nang biểu hiện như một carcinoma thể nhú. Carcinoma thể không biệt hóa hiếm gặp, tiến triển nhanh và tiên lượng rất xấu.
Carcinoma tuyến giáp thể tủy phát triển từ tế bào C (tế bào cạnh nang). Nồng độ calcitonin huyết tương tăng và có ích cho chẩn đoán. Hầu hết các trường hợp là carcinoma thể tủy đơn lẻ. Tuy nhiên, carcinoma tuyến giáp thể tủy là một thành phần của hội chứng đa u tuyến nội tiết (MEN) 2A và 2B cũng như hội chứng carcinoma tuyến giáp thể tủy có tính chất gia đình, đều do đột biến các vùng khác nhau của gene tiền ung thư RET.