Kilpnääre on osa endokriinsüsteemist ja selle ülesanne on toota hormoone, mis aitavad reguleerida organismi ainevahetust. Kilpnäärmes terved rakud tavaliselt kasvavad, jagunevad ja seejärel lakkavad süstemaatilisest jagunemisest. Kilpnäärmevähk saab alguse siis, kui rakud kaotavad oma võime paljunemist lõpetada ja surevad nagu tavaliselt, kuid selle asemel jagunevad ja paljunevad, kui neid enam ei vajata, moodustades lõpuks kasvaja. 2011. aasta alguse seisuga ei olnud meditsiiniteadlased kilpnäärmevähi täpseid põhjuseid kindlaks teinud. Geenid mängivad kilpnäärmevähi ühe põhjusena keskset rolli, kuid on leitud, et kilpnäärmevähi tekkega on seotud ka sõltumatud riskitegurid, nagu kiirgus, vanus ja sugu, seega on geenide suhteline tähtsus riski suhtes. Kilpnäärmevähi põhjused on teadlastele jäänud ebaselgeks.
Kilpnäärmevähki on neli peamist tüüpi: papillaarne, follikulaarne, anaplastiline ja medullaarne. Papillaarne ja follikulaarne on ülekaalukalt kõige levinumad kilpnäärmevähi tüübid. Nende vormide puhul on meditsiiniteadlastel õnnestunud kindlaks teha, et geenimutatsioonid esinevad märkimisväärsel protsendil neist vähivormidest. Kilpnäärmevähi nii anaplastilise kui medullaarse vormi puhul on leitud ka geneetiline seos, kuid väiksemal protsendil juhtudest.
Lisaks geneetikale on meditsiiniteadlased tuvastanud kilpnäärmevähi põhjustena mitmeid sõltumatuid riskitegureid. Kilpnäärmevähi põhjuste hulgas on kõige levinumad riskitegurid kiiritus, perekonna ajalugu ja joodipuudus. Teadaolevad riskitegurid on ka sugu, vanus ja rass.
Kõrge kiirgustasemega kokkupuude on kilpnäärmevähi tõestatud riskitegur. Pea ja kaela kiiritusravi meditsiinilistel põhjustel on üks suuri kiirgusdoose saavate inimeste allikaid. Tuumarelvade katsetamise ja kasutamise tagajärjed on teine. Lõpuks võivad tuumaelektrijaama õnnetused põhjustada ka kokkupuudet kiirgusega. Lapsepõlves kokkupuude kiirgusega on suurem risk kui täiskasvanueas.
Perekonnas esinenud struuma, mis on kilpnäärme healoomuline suurenemine, on kilpnäärmevähi riskitegur. Teatud pärilikud seisundid, näiteks Cowdeni tõbi, suurendavad samuti riski. Mõned kilpnäärmevähi vormid esinevad perekondades defektsete geenide tõttu, mis on päritud. Liiga madala joodisisaldusega dieedid on papillaarse ja follikulaarse kilpnäärmevähi riskifaktorid. Lõpuks on naistel suurem tõenäosus haigestuda kilpnäärmevähki, nagu ka üle 40-aastastel inimestel ja Ameerika Ühendriikides kaukaaslastel.