甲状腺癌的诊断在早期阶段，所有发现孤立性甲状腺结节的人都应在临床上排除甲状腺癌的可能性。如果结节坚硬不均匀，伴有颈部淋巴结肿大、喉返神经麻痹或颈部反射史，癌症的可能性很大。同样，如果在甲状腺多发性结节中发现结节特别突出和坚硬，也应怀疑甲状腺癌的可能性。此外，如果甲状腺本身出现不对称的肿胀或硬结，并迅速增加或固定，则应考虑甲状腺癌的可能性。
在诊断过程中，不要过分依赖肿块表面不均匀和硬质地作为甲状腺癌的特征。一些甲状腺癌肿块可以非常柔软、光滑和活动，这在乳头状腺癌中并不少见。相反，严重钙化的甲状腺癌、结节性甲状腺和硬化性甲状腺炎质地坚硬，表面有颗粒感，容易被误诊为甲状腺癌。甲状腺结节囊性病变是良性的，这显然是不全面的。据报道，囊性病变的恶变率为1.甲状腺癌的囊变率也随结节增加4%。
131或99mTc甲状腺扫描只能反映结节的形状和摄入同位素的功能，不能确定其性质。然而，临床数据显示，在热结节、温结节、冷结节的扫描图像中，甲状腺癌的可能性依次增加。扫描可以检测到如果上述结节失去摄入同位素的功能，可以考虑甲状腺癌的可能性(囊肿的存在应通过超声波检查排除)，但应注意的是，甲状腺癌并不都是冷结节。此外，同位素分布的缺陷与肿瘤的大小有关，有时功能减退的肿瘤图像可以被正常的甲状腺组织覆盖。少数甲状腺癌表现为热结节。
当上述检查无法确诊时，应在手术前1天进行可行的细针抽吸细胞学检查，诊断符合率高。在10%的病例中，细胞分类无法进一步进行，仍需进行手术检查和组织检查。
对甲状腺髓样癌，可采用血清降钙素和钙或五肽胃沁素刺激试验进行诊断。
个别患者患有高度恶性甲状腺癌，首先表现为颈淋巴结转移癌和肿胀，但原发性甲状腺癌没有被患者发现，一般来说，单发性甲状腺结节更有可能是恶性的。
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