Der Diagnoseprozess für Schilddrüsenkrebs beginnt in der Regel, wenn ein Knoten in der Schilddrüse entdeckt wird. Die primäre und wichtigste Untersuchungsmethode ist die Schilddrüsen-Ultraschalluntersuchung. Wenn bei der Ultraschalluntersuchung ein Schilddrüsenknoten mit verdächtigen Merkmalen für Krebs festgestellt wird, wird eine Feinnadelaspirationsbiopsie (FNAB) durchgeführt. Die FNAB, die weltweit als Goldstandard für die vorläufige Diagnose von Schilddrüsenkrebs gilt, wird von einem Zytologen beurteilt. Wenn die Biopsieergebnisse eine Malignität nahelegen, wird die endgültige Diagnose typischerweise durch eine detaillierte Untersuchung des chirurgisch entfernten Schilddrüsengewebes durch einen Pathologen gestellt.

Zusätzlich können im Diagnoseprozess folgende Methoden eingesetzt werden:
* Bluttests: Die Schilddrüsenhormonspiegel und spezifische Krebsmarker (z. B. Calcitonin) können bewertet werden.
* Bildgebende Verfahren (CT, MRT): Computertomographie (CT) und Magnetresonanztomographie (MRT) können eingesetzt werden, um die Ausbreitung des Krebses oder Fernmetastasen zu beurteilen.