甲狀腺癌的治療，主要分成四個部份：
(1) 外科治療：
手術通常是治療甲狀腺癌的第一步，以儘量切除癌組織為主。其手術方法往往依據癌細胞的種類、腫瘤大小、是否轉移、年齡及性別等而有所差別。同時依照手術切除的範圍，大概可分為「甲狀腺全切除」、「近甲狀腺全切除或次甲狀腺全切除」、及「小部分甲狀腺切除」等。手術治療的併發症包括返喉神經受傷引起聲音沙啞、副甲狀腺功能低下症（引致血鈣過低）及聲帶麻痺等。這些症狀可能只是暫時性的，也可能是永久性的。對於淋巴轉移或局部復發的患者，手術仍是最佳的選擇。
手術治療後通常會合併手術數週後給患者吃中等劑量的碘131來消除手術留下來的甲狀腺組織。之後會安排碘131全身掃瞄來看看還有沒有殘留的甲狀腺組織或惡性腫瘤。同時，做完掃瞄之後就可開始每天口服甲狀腺素，除了適當補充生理所需的甲狀腺素，避免發生甲狀腺功能不足的情形外，並可藉由口服補充甲狀腺素而產生對腫瘤抑制的效果，需注意的是一旦接受甲狀腺切除的病患，終身服用甲狀腺素是必須的。
(2) 放射性同位素碘(Ｉ-131, 又稱原子碘-131)治療：
吸收碘是甲狀腺細胞特有功能，雖然甲狀腺癌細胞的吸收能力不如正常甲狀腺細胞，但即使是分化不良性的甲狀腺癌細胞仍然具有像正常甲狀腺細胞的百分之六十到百分之八十功能，對碘的親和力也較身體其他部位細胞高400-600倍。所以能有效的將放射性碘帶入甲狀腺細胞中，藉由放射性碘所釋出之β射線來殺死甲狀腺癌細胞，而β射線在組織中射程僅約2毫米，因此對甲狀腺周圍正常組織影響不大。
由於甲狀腺細胞積聚碘的能力受到TSH的影響，所以如需利用放射性碘治療甲狀腺癌必須先以手術完全切除甲狀腺，待約四至六週後如患者血中TSH濃度大於30μU/ml（或手術後直接給予合成的TSH後）再給予100 mCi放射性碘治療效果較佳。
一般而言，放射性碘治療對乳突癌及濾泡癌等分化較好的腫瘤較有效，可當作手術後及併發軟組織轉移的輔助療法。若其甲狀腺無法完全切除、為多發性病變、或癌細胞已侵犯周邊組織或遠處轉移時，皆應接受高劑量的放射碘治療。
要注意的是放射性碘治療前，要先停用甲狀腺素並採低碘飲食四星期。若患者無法忍受停用甲狀腺素三至四週，目前已有基因重組合成的甲促素，可供注射使用，可避免甲狀腺功能低下的狀況發生。
放射性碘的副作用不大，一般較常見的有厭食、噁心、頭暈、皮膚搔癢、前頸部疼痛（放射性甲狀腺炎）、唾液腺或胃腺腫脹、及骨髓抑制等，但通常為暫時性而於1至2星期後消失。至於較常見的併發症有腮腺炎和甲狀腺發炎，有時甚至會引起甲狀腺機能亢進。肺纖維化或嚴重的血液疾病，只有在使用大劑量的放射性碘後才會發生。
(3) 體外放射線治療：
對於極惡性的未分化癌或併骨轉移導致劇痛的甲狀腺癌，由於其對放射性碘反應不良或全無反應，可嘗試使用「鈷六十」直線加速器所產生的放射線能量來破壞、殺傷癌組織，以減緩癌細胞的生長及減輕痛楚。
(4)化學治療：
化學治療，一般來說對甲狀腺癌的治療效果有限，故較少採用。
