Изменения щитовидной железы при токсическом зобе крайне характерны. Железа (гораздо реже — неравномерно, узлами) увеличена (иногда значительно), плотной консистенции, полнокровная. При сильном увеличении щитовидной железы могут наблюдаться признаки сдавления соседних органов.
Микроскопическое исследование обнаруживает, что клетки железы не круглой формы, как обычно, а имеют неправильные очертания. Они часто имеют звездообразный просвет вследствие того, что эпителиальный покров образует выступающие сосочки. Крайне типично то, что слизистая оболочка щитовидной железы приобретает вид высоких цилиндрических клеток. Иногда наблюдается неодинаковый вид клеток и их ядер, расположение их в несколько слоев, образование многослойных "подушек".
В большинстве случаев имеется переразвитие лимфатических узлов и лимфатических клеток, особенно сильно увеличиваются лимфатические узлы шеи. Иногда отмечаются малые размеры надпочечников. Сердце увеличено за счет утолщения стенки левого желудочка, в начале заболевания в нем находят очаги омертвевших клеток, а также лимфоидные образования или явления серозного миокардита, в далеко зашедших случаях — очаговые мелкие рубцы и диффузный миофиброз (тиреотоксический миокардит). В печени в начале заболевания находят серозный гепатит и цирроз.
Иногда наблюдаются изменения нервных клеток межуточного мозга (так называемый тиреотоксический энцефалит). Нередко отмечается атрофия мускулатуры тела с последовательным развитием в ней жировой ткани.
Смерть при тиреотоксикозе иногда наступает внезапно при явлениях комы. Иногда такая кома развивается во время удаления зоба или вскоре после него, что объясняется повышенной чувствительностью больных к операционной травме.