目前認為，激素進入靶細胞的細胞核，是甲狀腺激素作用的機制。細胞核內存在與遺傳物質有關的特異的甲狀腺激素受體，甲狀腺激素與特異的核受體相互作用，影響基因表達，細胞代謝中隨之發生變化。過多的甲狀腺激素與核受體在分子水平上的相互作用、甲狀腺激素進入細胞增多，以及和受體的作用，是引起甲狀腺危象可能的發生機理。甲狀腺危象與某些使甲狀腺毒癥惡化的因素、細胞因子的釋放和免疫紊亂的形成均有關系。
甲狀腺危象確切的發病機制和病理生理未完全闡明，可能與下列因素有關:
(1)大量甲狀腺激素釋放至循環血中：一部分甲亢患者，服用大量甲狀腺激素可產生危象；甲狀腺手術、不適當的停用碘劑以及放射性碘治療后，患者血中的甲狀腺激素升高，引起甲狀腺危象，這些均支持本病的發生是由于大量甲狀腺激素驟然釋放入血所致。
(2)血中游離甲狀腺激素增加：感染、甲狀腺以外其它部位的手術等應激，可使血中甲狀腺激素結合蛋白濃度減少，與其結合的甲狀腺激素解離，血中游離甲狀腺激素增多，這可以解釋部分甲狀腺危象病人的發病。
(3)機體對甲狀腺激素反應的改變：由于某些因素的影響，使甲亢患者各系統的臟器及周圍組織對過多的甲狀腺激素適應能力減低，由于此種失代償而引起危象。臨床上見到在危象時有多系統的功能衰竭、血中甲狀腺激素可不升高，以及在一些患者死后尸檢時所見無特殊病理改變等，均支持這種看法。
(4)腎上腺素能活力增加：于動物實驗或給甲亢患者作交感神經阻斷，或服用抗交感神經或β-腎上腺素能阻斷劑，均可使甲亢的癥狀和體征得到改善，說明甲亢的許多表現是由于患者血中甲狀腺激素增多，使兒茶酚胺的作用增強所致。甲狀腺危象時產熱過多是由于脂肪分解加速，甲狀腺激素可直接或通過增加兒茶酚胺使脂肪分解。甲狀腺危象患者采用β-腎上腺素能阻斷劑，血中增高的游離脂肪酸水平可迅速下降，甲狀腺危象的臨床征象同時好轉。
(5)甲狀腺素在肝中清除減少和其它的非甲狀腺疾病的存在，均引起T4清除減少，有報道感染時常伴發50 %以上患者血中的T4清除減少。這些都能使血中的甲狀腺激素含量增加。
以上列舉的原因，可解釋部分甲狀腺危象的發生，但不能概括全部發生機理，故可認為，甲狀腺危象的發生并非單一原因所致，而是由多方面因素引起的。