La valeur normale de la concentration sanguine en TSH est comprise, chez l'adulte, entre 0,4 à 0,5 et 2,5 à 4,5 mUI/L (selon Prescrire).
Un taux élevé, indiqué par le dosage de la TSH, est révélateur d'une sous-production de T3 et de T4 par la thyroïde. Il peut ainsi être un signe d'hypothyroïdie. Un dosage de la T3 et de la T4 peut ensuite confirmer l'hypothyroïdie (faible sécrétion de la T3 et de la T4).
La synthèse de la thyréostimuline (TSH) est elle-même stimulée par l'hormone thyrotropine, en anglais TRH (pour thyrotropin-releasing hormone), produite par l'hypothalamus.