Pierwotną niedoczynność tarczycy rozpoznaje się na podstawie zmniejszonego stężenia tyroksyny, a zwiększonego tyreotropiny w surowicy krwi. We wtórnej lub trzeciorzędowej postaci choroby stężenie hormonu tyreotropowego nie wzrasta, a nawet może być zmniejszone. Aby postawić diagnozę przeprowadza się badania laboratoryjne stwierdzające poziom TSH i T4 w organizmie człowieka. Inne badania mają na celu określenie zwiększonego stężenia przeciwciał przeciwtarczycowych (ma to związek z chorobą opartą na podłożu autoimmunologicznym), bada się także zdolność gruczołu do wychwytywania jodu. Jeśli osoba cierpi na niedokrwistość należy ustalić jej przyczynę, czy jest to upośledzona synteza hemoglobiny, niedobór żelaza, niedobór kwasu foliowego lub anemia złośliwa. Bada się także, czy stężenie cholesterolu całkowitego, frakcji LDL i trójglicerydów wzrasta kosztem malejącego stężenia wolnych kwasów tłuszczowych. Określa się także zwiększenie frakcji w surowicy enzymów takich jak: aminotransferaza asparaginianowa (AST), fosfataza zasadowa, dyhydrogenaza mleczanowa (LDH), kinaza kreatynowa (CK). Wykonuje się USG tarczycy, aby skontrolować ją na obecność wola, USG jamy brzusznej potwierdzające lub wykluczające obecność płynów oraz RTG klatki piersiowej, by stwierdzić obecność płynu w opłucnej i powiększenie sylwetki serca. W badaniu EKG stwierdza się natomiast bradykardię zatokową (częstość akcji serca spada poniżej 50 razy na minutę) oraz charakterystyczne zmiany w pracy serca.
Niedoczynność tarczycy różnicuje się z: