Tiroid kanseri tanısında kullanılan yöntemler, genellikle tiroid bezinde bir nodül saptanmasıyla başlar. İlk ve en önemli inceleme yöntemi tiroid ultrasonografisidir. Ultrasonografide kanser şüphesi taşıyan bir tiroid nodülü tespit edildiğinde, ince iğne aspirasyon biyopsisi (İİAB) yapılır. Tüm dünyada tiroid kanseri ön tanısında altın standart kabul edilen İİAB, sitoloji uzmanı tarafından değerlendirilir. Biyopsi sonucunda malignite şüphesi oluşursa, kesin tanı genellikle cerrahi olarak çıkarılan tiroid dokusunun patoloji uzmanı tarafından detaylı incelenmesiyle konulur.

Tanı sürecinde ek olarak şu yöntemler kullanılabilir:
* Kan Testleri: Tiroid hormon düzeyleri ve belirli kanser belirteçleri (örneğin kalsitonin) değerlendirilebilir.
* Görüntüleme Yöntemleri (BT, MR): Kanser yayılımını veya uzak metastazları değerlendirmek amacıyla bilgisayarlı tomografi (BT) ve manyetik rezonans (MR) görüntülemelerinden faydalanılabilir.