甲状腺的发育，在胚胎期第三周，消化器官原基（“前肠”）在鳃弓部位出芽形成甲状腺细胞。甲状腺细胞向下成为一团细胞，其与舌相连的狭管叫甲状腺舌管。甲状腺舌管（Ductus thyroglossus）后来会闭合，甲状腺因此就断开了与前肠的连接。偶然也会发生闭合不完全，这会导致甲状腺舌管囊肿。
在哺乳动物中，第五咽囊的细胞会移入甲状腺，成为后来的C细胞。而它们在其他的脊椎动物则还会形成一个器官-后鳃体。在很多哺乳类动物种属里，内皮小体（Glandula parathyroidea interna，是其中一个甲状旁腺）也算作甲状腺的一部分。而在人类，它则作为下甲状旁腺（Glandula parathyroidea inferior）位于甲状腺下极。
在尾索动物（Tunicata）和 头索动物（Acrania）的内柱被视为脊索动物甲状腺的同源器官。内柱是一位于鳃裂，充满腺体的结构，它会分泌含碘的粘性物质。