应排除鉴别诊断Graves甲状腺机能亢进、遗传性和获得性甲状腺结合球蛋白增多、垂体瘤TSH分泌异常综合征，克汀病或某些Pendred综合征等。其他人必须证明没有T4向T3由于一些非甲状腺疾病综合征患者的转化障碍T4向T3减少转换，使血清TT4或者FT4升高，但T3它很低，有些药物也会发生这种情况。家族遗传性血清白蛋白和蛋白蛋白蛋白也有报道T4结合升高，导致T4升高但T3正常。罕见的还有内源性产生血清T4或T3抗体，干扰T4或T3测定，引起T4或T3假性升高。
1.甲亢 一般甲亢T3、T4、FT3、FT4、rT3都有上升，而且TSH甲状腺激素不应症患者常减少TSH值大幅上升。
2.垂体甲状腺机能亢进 垂体肿瘤甲状腺机能亢进TSH并伴有临床甲亢。TSH垂体甲亢增多，其垂体甲亢增多TSH可不受T3及T4反馈抑制也不受反馈抑制TRH兴奋的调节主要是自主调节和分泌，因此大脑CT扫描及MRI蝶鞍检查可发现垂体瘤或微腺瘤，一般甲亢为自身免疫性疾病，可鉴别诊断。
3.遗传或获得性甲状腺结合蛋白增多症 甲状腺结合蛋白甲状腺结合蛋白(TBG)、前白蛋白结合甲状腺(TBPA)以及白蛋白，其中TBC结合最多，TBG水平上升，多有T3、T4升高，而FT3、FT4值正常。
4.甲状腺肿-耳聋综合征(pendred syndrome) 本病具有家族性甲状腺肿、先天性神经性耳聋、高氯酸盐释放试验阳性三个特点，是常染色体隐性遗传疾病，主要缺陷是甲状腺过氧化酶缺乏和减少，导致甲状腺激素合成不足，代偿性甲状腺肿，甲状腺功能正常，吸收131Ⅰ试验可表现为中度亢进，不同于甲状腺激素不应症。
5.克汀病(小病) 与当地甲状腺肿和碘缺乏有关。当地甲状腺肿发病越多，病情越严重，小病发病越多，属于常见病。由于有效的预防和控制措施，目前的发病率大大降低。小病是由妊娠期胎儿胚胎期和出生后碘缺乏和甲状腺功能低下引起的胎儿和婴儿大脑中枢系统发育分化障碍和小病，与甲状腺激素不应症相比较少见，不受欢迎。
甲状腺激素不应症及其他疾病的鉴别诊断主要依靠分子生物技术，证实甲状腺激素受体、受体及其基因结构的异常和缺陷，最重要的是证明它是一种典型的受体疾病。
如果用分子生物学方法证明甲状腺激素受体基因突变或甲状腺激素受体亲和力下降，则更有利于本病的诊断。分子生物学方法发现甲状腺激素受体突变有利于产前诊断和家庭咨询，特别是家庭成长和智力障碍成员。
