Tiroxina (T4) é um dos dois principais hormônios produzidos pela glândula tireoide (o outro é chamado triiodotironina, ou T3). T4 e T3 são regulados por um sensível sistema de feedback envolvendo o hipotálamo e a hipófise. O hipotálamo libera o hormônio liberador de tirotrofina (TRH), que estimula a hipófise a liberar o hormônio estimulante da tireoide (TSH). Isso faz com que a tireoide libere T3 e T4 e estes, por sua vez, regulam a liberação de TRH e TSH por meio de um mecanismo de feedback. Normalmente, níveis sanguíneos elevados de T4 e T3 diminuem a quantidade de TSH secretado, reduzindo assim, consequentemente a produção e liberação de T4 e T3. Mais de 99% da concentração de T4 está reversivelmente ligada a três proteínas plasmáticas no sangue: a globulina ligadora da tiroxina (TBG) liga-se a cerca de 70%, a pré-albumina de ligação à tiroxina (TBPA) se liga a 20% e a albumina a 10%. Aproximadamente 0,03% da concentração de T4 está no estado livre, não ligado.
T4 é um marcador útil para o diagnóstico de hipotireoidismo e hipertireoidismo. O nível de T4 diminui no hipotireoidismo, mixedema e tireoidite crônica (doença de Hashimoto). Níveis aumentados de T4 são encontrados no hipertireoidismo devido à doença de Graves e doença de Plummer.