甲状腺癌的诊断贵在早期。凡发现孤立性甲状腺结节，临床上都要排除甲状腺癌的可能。如结节坚硬而不平整，伴颈淋巴结肿大、喉返神经麻痹或以往有颈部反射史者，癌肿的可能性很大。同样，如在甲状腺的多发性结节中发现一个结节特别突出而且较硬，也应疑有甲状腺癌的可能。此外，如甲状腺本身出现不对称的肿大或硬结，且增大迅速，或已固定，都应考虑甲状腺癌的可能。
在诊断时，不要过份依赖肿块表面不平和质地坚硬作为甲状腺癌的特征。有些甲状腺癌的肿块可以很柔软，光滑，活动度也大，这在乳头状腺癌中並不少见。相反，钙化严重的甲状腺癌瘤、结节性甲状腺以及硬化性甲状腺炎质地较硬，表面有颗粒感，易误诊为甲状腺癌。认为甲状腺结节囊性病变都属良性，这显然是不全面的。有报道囊性病灶恶变率为1.4%，甲状腺癌的囊变率也随其结节长大而增高。
131Ⅰ或99mTc甲状腺扫描只能反映出结节的形态及其摄取同位素功能，不能确定其性质。但从临床资料表明，在热结节、温结节、凉结节和冷结节的扫描图象中，甲状腺癌的可能性循序依次递增。扫描可检出0.5cm以上的结节，如其丧失摄取同位素的功能，可无考虑为甲状腺癌（应经超声检查排除囊肿的存在），但要注意甲状腺癌並非都表现为冷结节。此外，同位素分布的缺损与肿瘤的大小有关，有时功能减损的肿瘤图象可被正常甲状腺组织所掩盖。少数甲状腺癌显示为热结节。
上述检查不能确诊时，可行细针抽吸细胞学检查，宜在手术前1日进行，诊断符合率高。在10%病例中不能作出进一步的细胞分类，仍需手术探查，作组织学检查。
对甲状腺髓样癌，可应用血清降钙素测定以及给钙或五肽胃沁素刺激试验来作出诊断。
个别病人所患的甲状腺癌恶性度较高，首先表现为转移癌而肿大的颈淋巴结，原发甲状腺癌反而未被病人察觉，一般说来，甲状腺单发结节较多发结节或结节性甲状腺肿更有可能为恶性。病人有下列表现者应警惕癌性结节的可能。
①在地方性甲状腺肿非流行区，14岁以下儿童的甲状腺单个结节，其中10%～50%是恶性。但都是分化好的甲状腺癌。
②成年男性甲状腺内的单发结节。
③多年存在的甲状腺结节，短期内明显增大。
④滨海居住的患者，单发结节为癌的机会远比来自地方性甲状腺肿流行区的患者为高。
⑤儿童期头颈部曾接受过放射治疗的患者，甲状腺单个结节更可疑。
⑥查体表现结节质地坚硬，固定不规则或伴同侧颈部淋巴结肿大。声带麻痹。
⑦颈部拍片示甲状腺内的钙化阴影为云雾状或颗粒状。边界不规则，甲状腺癌导致的气管狭窄常常是左右径、前后径可以正常。