Patofisiologi Grave's disease adalah autoimun yang dimediasi oleh antibodi terhadap reseptor tirotropin yang terdapat di sel epitel folikuler kelenjar tiroid. Antibodi ini dikenal dengan thyroid stimulating immunoglobulin (TSI).

TSI akan berikatan dengan reseptor tirotropin dan menimbulkan efek yang menyerupai efek tirotropin yang berasal dari kelenjar hipofisis, yaitu menstimulasi sel epitel folikular memproduksi hormon tiroksin. [3]

Efek antibodi ini diperankan oleh isotop IgG1 dan berikatan dengan epitop reseptor TSH ekstraseluler yang terdiri dari leusin. Reseptor TSH ini juga berinteraksi dengan reseptor IGF1 pada permukaan sel tiroid dan fibroblast orbita. Stimulus TSI yang berikatan dengan reseptor tirotropin atau reseptor TSH akan meningkatkan produksi siklik AMP intraseluler yang mengakibatkan pertumbuhan sel tiroid dan produksi hormon tiroksin berlebih. [1]