Os hormônios tireoidianos são transportados no sangue ligados a várias proteínas de ligação. Estas incluem a TBG (Globulina Ligadora da tiroxina), pré-albumina e albumina. Somente 0,03% da tiroxina encontra-se não ligada às proteínas.

O T4 livre encontra-se aumentado nos casos de hipertireoidismo e na síndrome de resistência ao hormônio tireoidiano. Sua concentração encontra-se diminuída no hipotireoidismo. Os resultados podem estar inadequados na presença de autoanticorpos anti-tiroxina, fator reumatoide ou tratamento com heparina. Pode estar aumentado na hipertiroxinemia disalbuminemica familiar, uma condição genética de ligação anormal da albumina ao T4. Discrepâncias nos níveis de T4 livre entre os diversos métodos são observadas, sendo mais acentuadas na presença de alterações extremas das proteínas de ligação, doenças não tireoidianas, anticonvulsivantes e algumas outras drogas.