La production hormonale de la glande thyroïde est composée pour 80 % par la thyroxine (T4) et pour 20 % par la tri-iodothyronine (T3). Dans le sérum l'origine de la T4 est uniquement thyroïdienne alors que 80 % de la T3 provient d'une désiodation de la T4 en périphérie. Cette désiodation subissant des influences diverses, la T3 est un moins bon reflet que la T4 du fonctionnement de la thyroïde. Dans le sérum seulement 0,02 % de la T4 et 0,3 % de la T3 existe sous forme libre, le reste est lié aux protéines de transport. Le dosage de la fraction libre de T4 (T4L) et de T3 (T3L) a supplanté celui des hormones totales (libres + liées) en raison d'une meilleure sensibilité et spécificité diagnostiques. Le dosage des hormones totales a une place limitée en recherche ou en cas d'hyperthyroïdie très sévère. Pour le dosage des hormones libres, la dialyse/RIA est la technique de référence actuelle. En routine sont utilisés des immunodosages automatisés directs en deux étapes ou une étape avec anticorps marqué ou ligand macromoléculaire. Le dosage des fractions libres reste délicat, en particulier dans le sérum des patients hospitalisés atteints de maladies graves non thyroïdiennes dont la capacité de fixation de la thyroxine est abaissée. Les interférences des anticorps anti-hormones thyroïdiennes et de la dysalbuminémie familiale dépendent de la méthode de dosage. Elles sont devenues moins marquées et se détectent rarement. La bonne maîtrise de l'interprétation des résultats d'un dosage nécessite sa mise à l'épreuve sur un panel de sérums bien caractérisés biologiquement et cliniquement. Le dosage de T4L (et de T3L si la T4L est normale et une hyperthyroïdie suspectée) permet de confirmer et graduer une dysthyroïdie (franche ou infraclinique). Dans toutes les situations où le statut thyroïdien n'est pas en équilibre (début ou ajustement du traitement d'une dysthyroïdie, évolution d'une thyroïdite subaiguë), et où l'intégrité de l'axe hypothalamo-hypophysaire n'est pas respectée (hypothyroïdie secondaire ou tertiaire), le dosage de TSH est défaillant et seuls les dosages de T4L ou T3L permettent d'évaluer la fonction thyroïdienne.