Tiroid kanserlerinin tanısı öncelikle tiroiddeki nodüllerden alınan örneklerin patolojik incelemesi ile konur. İnce iğne aspirasyon biyopsisi sonucu nodül kuşkulu veya kötü huylu çıkarsa genellikle cerrahi önerilir. Ameliyat sırasında nodülün kuşkulu olduğu durumlarda, çıkarılan doku hızlı patolojik incelemeye (Frozen) gönderilir ve 15-20 dakika içinde nodülün iyi ya da kötü huylu olduğu cerraha bildirilir. Kötü huylu çıkarsa ameliyata kanser cerrahisi olarak devam edilir; iyi huylu çıkarsa cerrah mevcut durum ışığında tiroidin hangi kısmının çıkarılacağına karar verir. Tiroid kanseri saptandığında genellikle tiroid bezinin tamamı alınır, gerektiğinde piramidal lob gibi ek dokular da tamamen çıkarılır. Tiroidin arkasından geçen ses sinirine zarar vermemek için çok az miktarda doku bırakılabilir. Ameliyat sonrası tiroid hormonları ilk başta verilmez, hasta tiroid yetmezliğine sokulur; bu süreçte kilo alımı, ödem, yorgunluk ve saç dökülmesi görülebilir. Bir aylık sürecin ardından kan testleri ve sintigrafi ile geride kalan tiroid dokusu değerlendirilir. Eğer tiroid tamamen çıkarıldıysa ek tedaviye gerek yoktur; ancak geride kalan doku varsa radyoaktif iyot tedavisi uygulanır. Bu tedavide verilen radyoaktif iyot, sadece tiroid hücreleri tarafından tutulur ve bu hücreleri yok eder. Tedavi sırasında hasta tecrit edilir ve özel odalarda kalır. Tedavi tamamlandıktan sonra kontroller başlangıçta altı ayda bir, daha sonra yılda bir yapılır ve tiroid yetmezliği olan hastalara hormon verilerek tiroid fonksiyonları normale getirilir.