Graves病的病因尚不十分清楚，但病人有家族性素質，約15%的患者親屬有同樣疾病，其家屬中約有50%的人抗甲狀腺抗體呈陽性反應。許多研究認為Graves病是一種自身免疫性疾病(AITD)。由于免疫功能障礙可以引起體內產生多淋巴因子和甲狀腺自身抗體，抗體與甲狀腺細胞膜上的TSH受體結合，刺激甲狀腺細胞增生和功能增強。此種抗體稱為甲狀腺刺激免疫球蛋白(thyroid-stimulating Immunoglobulin, TSI)。血循環中TSI的存在與甲亢的活動性及其復發均明顯相關，但引起這種自身免疫反應的因素還不清楚。Olpe認為患者體內有免疫調節缺陷，抑制T淋巴細胞的功能喪失，使輔助T淋巴細胞不受抑制而自由的刺激淋巴細胞生成免疫球蛋白，直接作用于甲狀腺。球蛋白中的TSI刺激甲狀腺使甲狀腺功能增強。Kriss認為，Graves病的浸潤性突眼是由于眼眶肌肉內沉積甲狀腺球蛋白抗甲狀腺球蛋白免疫復合物，引起的免疫復合物炎癥反應;另一種假說認為眼肌作為抗原與輔助T淋巴細胞之間的相互作用引起自體的免疫反應。甲狀腺病人發生皮膚病變的機制尚不清楚，可能也是自身免疫性病變在脛前等部位皮膚的體現。