(一)发病原因
对于Graves病，虽然经过近几十年的不断探讨，包括临床及实验研究，但对其发生仍未能得到肯定的解释，但已有一些较清晰的解释。
1.遗传因素 遗传因素是多数人承认的病因，说明Graves病与遗传基因有密切的关系的例子，是在一个家族中常可见到先后发病的病例，且多为女性。大约有15%的病人有明显的遗传因素。Graves病人的亲属约有一半血中存在甲状腺自身抗体。甲亢的发生与人白细胞抗原(HLAⅡ类抗原)显著相关，其检出率因人种的不同而不同。我国人与HLA-H46明显相关，除了HLA基因外，还有非HLA基因。
2.精神创伤 各种原因导致的精神过度兴奋，或过度忧郁，均可导致甲状腺激素的过度分泌。机制可能是高度应激时，肾上腺皮质激素的分泌急剧升高，从而改变抑制性T淋巴细胞(Ts)或辅助性T淋巴细胞(Th)的功能，增强了免疫反应。
3.免疫系统异常 T淋巴细胞对甲状腺内的抗原发生致敏反应，刺激B淋巴细胞，合成针对这些抗原的抗体。T细胞在甲亢中起重要作用，正常人周围血淋巴细胞中T细胞平均占63.6%，而未治疗过的Graves病人的T细胞为93.1%，Graves病者的T细胞较正常人显著增高。用抗甲状腺药物治疗使甲亢缓解后，T细胞的比例可恢复正常，未缓解者则仍与未治疗者相似。血中促甲状腺激素受体抗体(TRAb)是人类特有的抗体，仅在自身免疫性甲状腺疾病的病人中查出，被认为是引起Graves病的主要的和直接的原因。
(二)发病机制
1.发病机制 Volpe提出Graves病的发病机制为：Graves病者具有HLA相关的遗传因素所引起的Ts功能特异缺陷，环境因素、感染、药物、创伤或其他应激反应等，也可诱发Ts的功能减低、数目减少、加重器官特异性T细胞的缺乏，从而减少了针对甲状腺的Th的抑制。特异的Th在有单核细胞及特异抗原存在的情况下，产生IFN-γ，刺激特异性B淋巴细胞活化而产生甲状腺刺激性抗体(TSAb)。TSAb与TSH相似，刺激TSH受体，使甲状腺激素的产生增加，增强甲状腺抗原的表达。干扰素-γ(IFN-γ)在甲状腺细胞表面引起HLA-DR抗原的表达，此种效应可被TSAb及TSH增强。甲状腺细胞变为表面抗原细胞是由于这种特异Th的刺激及不断作用。目前较为公认的发病机制如(图1)。
近年的研究证明，Graves病的发生发展是TRAb等刺激性抗体对甲状腺刺激的结果，TRAb可直接作用于甲状腺细胞上的TSH受体，激化cAMP途径，使甲状腺细胞增生，激活甲状腺细胞代谢，合成甲状腺激素增加。这种自身抗体在Graves病者血清中的阳性率达83%～100%。在未治疗的Graves病者中，TRAb的阳性率可高达88.2%，这些抗体只在自身免疫性甲状腺疾病(AITD)病人血中检出，非AITD病人，如单纯甲状腺肿、甲状腺瘤等，血中不能检测到TRAb，或仅能检测到很低浓度的TRAb。
2.病理学
(1)大体形态：肉眼见甲状腺通常是左右对称的弥漫性肿大(图2)。重量从50～200g不等。甲状腺的表面轻度凹凸不平，血管明显易见，甲状腺呈略带光泽的红色。切面分叶状表现明显，缺乏胶质的光泽，呈暗红色肉样。另外淋巴滤泡的形成切面有时呈斑点状。
(2)组织形态：滤泡上皮的过度增生是Graves病的基本图像。有大小不等的滤泡组成的小叶结构，但形状仍然保持(图3)。未经治疗的病例中含小型滤泡，内腔缩小且胶质减少(图4)。有胶质的滤泡中可在滤泡上皮的近旁见到被称为scalloping的空泡(图5)。这种scalloping实际上是人工现象。另外，过度增生上皮常常排列成乳头状或锯齿状结构(图6)，细胞为高柱状、胞浆淡染。有时可见散在的多倍体化大型细胞核。间质多呈轻度纤维化并伴有淋巴细胞浸润和树突状细胞增加。也可见到淋巴滤泡的形成(图7)。淋巴滤泡主要是B细胞，其周围是T淋巴细胞。淋巴细胞浸润较强的病例也可出现类似于桥本甲状腺炎的滤泡破坏和滤泡上皮嗜酸性变等改变(图8)。明显类似于桥本甲状腺炎病理变化的病例也可称为桥本氏中毒症，将来很有可能发展成甲状腺机能低下。此外，还可见到伴有砂粒体的病例。Graves病的组织学变化并非单一性，不同的病例甚至同一病例不同的部位形态变化呈多样性。
Graves病的组织学图像可以分为几种类型：①不含胶质的滤泡弥漫性存在型;②不含胶质的滤泡局限性存在型;③多数滤泡含有胶质，滤泡上皮呈明显的乳头状突起;④类似于正常甲状腺组织型。作为合并病变，2%～9%的Graves病可见到腺瘤，乳头状癌或滤泡癌等肿瘤性病变。乳头状癌中以微小癌居多。
Graves病的病理组织学改变会因治疗方法和治疗阶段的不同而出现多种多样的变化。使用丙基氧嘧啶或甲巯咪唑等抗甲状腺药物后，可以促进TSH分泌，可见到过度增生的滤泡和富含胶质的扩张状的滤泡(图9)。使用无机碘后，滤泡上皮体积变小，过度增生的变化减少，并且由于甲状腺球蛋白的分泌被抑制而引起胶质浓缩。使用大量放射性碘后可引起甲状腺破坏，作为破坏后的反应，滤泡上皮出现嗜酸性变，细胞核出现多倍体化，并出现间质纤维化。另外，β受体阻断药因与甲状腺素的生成和分泌无直接关系，所以对甲状腺的形态影响不大。甲状腺部分切除后再发的病例中结节性变化比增殖性变化多见。
细胞学检查，可发现铺路石样的细胞团，有时可见小滤泡结构。细胞核浆均大型化，核为卵圆形偏在性，细胞浆内可见边缘空泡。以小型滤泡为主体的病例往往含胶质较少。有的病例背景中可出现大量的淋巴细胞。没有治疗效果的病例其细胞边缘空泡多见，有治疗效果的病例细胞边缘空泡不明显。
(3)免疫组织化学：免疫组织化学染色发现，由于甲状腺功能亢进，甲状腺球蛋白、T3、T4等甲状腺特异性蛋白质在滤泡内和上皮中多为强阳性染色。此外，滤泡上皮中HLA-DR和CD45阳性。间质中CD4阳性的T淋巴细胞增加。
电子显微镜检查可见细胞质内线粒体、内质网和高尔基体等细胞器增加，细胞滤泡面微绒毛发达，这些所见均显示滤泡上皮机能亢进。另外，还可见到基底膜内有电子密度高的免疫复合体样沉着物。
(4)甲状腺外的脏器变化：Graves病眼症是由于肌肉和结缔组织内的水肿、炎细胞浸润或脂肪组织增加而使眼球后部组织的体积增加而引起的，眼眶内肌肉和结缔组织中玻璃酸和硫酸软骨素沉积增加。水肿是由于纤维母细胞产生的氨基葡聚糖的亲水性造成的。组织学上眼眶内的肌肉肿胀、横纹消失、淋巴细胞浸润。局部黏液水肿的皮肤可见到向真皮浸润的淋巴细胞、黏多糖沉积。
3.病理生理 甲状腺激素分泌过多的病理生理作用是多方面的，但其作用原理尚未完全阐明。以往认为过量的甲状腺激素作用于线粒体，对氧化磷酸化过程具有拆耦联的作用。以致氧化过程所产生的自由能，不能以ATP的形式贮存而消耗殆尽，故氧化率增加而能源供应不足，从而引起临床症状。近年发现，在甲亢患者中并无拆耦联的证据，相反，甲状腺激素可促进磷酸化，主要通过刺激细胞膜的Na+-K+-ATP酶(即Na+-+K泵)，后者在维持细胞内外Na+-K+梯度的过程中，需要大量能量以促进Na+的主动转移，以致ATP水解增多，从而促进线粒体氧化磷酸化反应，结果氧耗和产热均增加。甲状腺激素的作用虽是多方面的，但主要在于促进蛋白质的合成，促进产热作用，以及与儿茶酚胺具有相互促进作用，从而影响各种代谢和脏器的功能。如甲状腺激素增加基础代谢率，加速多种营养物质的消耗，肌肉也易消耗。甲状腺激素和儿茶酚胺的协同作用加强后者在神经、心血管和胃肠道等脏器的兴奋和刺激。此外，甲状腺激素对肝脏、心肌和肠道也有直接刺激作用。非浸润性突眼可能由交感神经兴奋性增高所致，浸润性突眼则原因不明，可能和自身免疫有关(甲状腺球蛋白-抗甲状腺球蛋白免疫复合物和球外肌肉结合后，引起肌肉病变)，球后组织淋巴细胞浸润，以及血中存在突眼抗体为这一说法的有力佐证。