毒性弥漫性甲状腺肿最主要的病因是自身免疫性的因素，患者的血清中可以出现针对甲状腺细胞、促甲状腺激素受体的特异性抗体。
该抗体可以与促甲状腺激素受体结合以后，导致甲状腺细胞的增生，进而会导致甲状腺激素的合成增加。
此外，患者还可以存在其他针对甲状腺的自身抗体，比如甲状腺过氧化物酶抗体、甲状腺球蛋白抗体。
除了自身免疫性的因素以外，还有遗传因素以及环境因素，都可以导致毒性弥漫性甲状腺肿的发生，其中环境因素有包括一些紧张、焦虑、失眠、情绪应激的因素。