O iodo é a principal matéria-prima para a síntese da hormona da tiroide pela glândula tiroide, que também tem uma capacidade de absorção e concentração altamente selectiva para o iodo radioativo. Como a taxa e a quantidade de síntese da hormona tiroideia aumentam nos doentes com hipertiroidismo, a capacidade da glândula tiroideia para concentrar o iodo radioativo também aumenta significativamente, podendo atingir 80-90% da dose tomada. O iodo-131 permanece na tiroide durante muito tempo, com uma semi-vida efectiva que pode ir até 3,5-4,5 dias. O iodo-131 liberta raios beta durante o seu decaimento durante um período de tempo mais longo para a irradiação concentrada da glândula tiroide, mas não danifica os órgãos e tecidos circundantes. Poucas horas após o tratamento com iodo-131, algumas células da tiroide ficam inchadas após a irradiação concentrada com raios beta e as células foliculares apresentam alterações vacuolares. A glândula tiroide também apresenta alterações inflamatórias agudas, como edema, infiltração de linfócitos e fagócitos, e mais tarde torna-se tecido conjuntivo não funcional, reduzindo assim a função secretora da glândula tiroide e atingindo o objetivo de tratar o hipertiroidismo. Algumas pessoas chamam ao tratamento do hipertiroidismo com iodo-131 “tiroidectomia líquida”.