Tiroid kanserinin birincil tedavisi genellikle cerrahi müdahaledir. Bu operasyonda tiroid bezinin tamamı veya etkilenen kısmı çıkarılır. Hastalık lenf bezlerine yayılmışsa, bu bezlerin de cerrahi olarak alınması gerekebilir. Ameliyat sonrası dönemde, bazı tiroid kanseri türlerinde radyoaktif iyot tedavisi (atom tedavisi) adı verilen ek bir tedavi uygulanabilir. Bu tedaviye gereksinim, patoloji sonuçları ve hastalığın tekrarlama riski dikkate alınarak takip eden hekim tarafından belirlenir. Radyoaktif iyot tedavisi öncesinde genellikle tiroid ilacının kesilmesi ve özel bir diyet uygulanması gerekebilir. Tedavi süresince radyasyon yayma riski nedeniyle hastanın izole edilmesi ve sonrasında belirli bir süre çevresindekileri korumak amacıyla radyasyon önlemleri alması önemlidir. Tiroid ameliyatı sonrasında, vücudun tiroid hormonu ihtiyacını karşılamak ve hastalığın nüksünü önlemek amacıyla ömür boyu ağızdan tiroid hormonu tedavisi uygulanır. Kemoterapi ve radyoterapi gibi ek tedavilere ise genellikle anaplastik tiroid kanseri gibi ileri evre veya nadir durumlarda ihtiyaç duyulur.