甲状腺机能亢进是由甲状腺生成和分泌T₄和T₃过多而引起的多系统性疾病，它多是单侧或双侧甲状腺内在性损伤的结果。多数患甲状腺机能亢进的猫，通常可在颈部腹侧触诊到一个或多个离散性甲状腺肿物。猫甲状腺素中毒时，多结节性腺体肿大是甲状腺最常见的组织学损伤。在这类猫中，整个腺体可见多个局灶性小结节，该组织损伤与人的结节性增生类似。引起腺叶增大和变形的甲状腺腺瘤较不常见，临床中甲状腺癌所占比例不超过5%。

甲状腺素中毒猫通常单侧或双侧腺叶受损。约20%的甲状腺机能亢进猫是单侧性的。引起疾病的腺叶通常含有一个独立的腺瘤或腺瘤过度增生。由于高活性的患侧甲状腺组织对TSH分泌的抑制作用，健侧甲状腺叶通常无功能并出现萎缩。超过70%的甲状腺机能亢进猫为双侧性。在这些猫中，甲状腺叶对称性肿大的占10%~15%，其它为非对称性肿大。即使双侧患叶肿大，触诊时也并不总能将两个肿瘤分清。约3%~5%的甲状腺素中毒猫纵隔前出现高活性甲状腺组织，而颈部能否触到肿物并不确定。这种组织是否代表异位的甲状腺组织，以及单个或多个甲状腺叶由于自身重力增加沿颈部下降或仅仅禁锢至胸腔仍不清楚。如果多于两个甲状腺肿物出现，很可能表明出现了功能性甲状腺癌。一些这类猫开始时仅出现一个或两种甲状腺肿物，这说明手术切除甲状腺组织后进行组织学评价是非常重要的。