La determinación aislada más útil para el diagnóstico del hipotiroidismo es la determinación de la hormona estimulante del tiroides (TSH), que aumenta en el hipotiroidismo primario y está normal o indetectable en el hipotiroidismo hipofisario (secundario), en cuyo caso deberá solicitarse la tiroxina libre (T4L) para confirmar el diagnóstico.

En el hipotiroidismo primario, la concentración sérica de TSH está siempre elevada, mientras que la concentración sérica de T4 libre es baja. En el hipotiroidismo secundario, las concentraciones séricas de T4 libre y TSH son bajas.