종류와 크기, 환자 나이, 주변 조직의 침범, 림프절 전이 등을 고려해 수술 범위를 결정하는데, 진단이 애매한 경우에는 수술 중 동결 절편 검사를 시행해 수술 범위를 결정할 때도 있다. 제거 정도에 따라 갑상선 전절제술과 엽절제술로 나눌 수 있고, 접근하는 방법에 따라 목 부위의 절개창을 통한 전통적 수술과 겨드랑이, 유방 혹은 구강 절개창을 통한 로봇 수술법으로 나눌 수 있다. 진행 상태에 따라 경부 림프절 절제술이 더해질 수 있다.
갑상선 전절제술은 갑상선을 전부 제거하는 수술로 대부분의 갑상선 환자에게 적용된다. 남아 있는 갑상선에서의 재발 가능성을 낮추고, 수술 전 검사에서는 발견되지 않았던 반대편의 다발성 암도 함께 제거할 수 있다. 또한, 수술 후 방사성 요오드 치료를 할 수 있으며, 추적 검사에서 사용하는 갑상선글로불린의 민감도를 높여준다는 장점이 있다.
갑상선 엽절제술은 암이 있는 쪽의 갑상선 엽만 제거하는 수술로 비교적 간단하고 합병증 발생 가능성이 매우 낮다. 초음파검사 결과 병소가 하나이고, 크기가 1㎝ 미만으로 작고, 갑상선 내에 국한되어 있으며 주변 경부 림프절 전이가 없는 저위험군 환자에게 선택적으로 시행될 수 있다.
갑상선암은 젊은 여성에게서 많이 발생하므로 눈에 띄는 신체 부위인 목의 상처는 미용적으로나 심리적으로 걸림돌이 될 수 있다. 특히 상처가 비후되거나 과하게 형성되는 체질을 가진 환자에게는 더 큰 문제가 될 수 있다. 로봇 수술은 겨드랑이, 유륜, 구강 등의 절개창을 이용해 수술하므로 미용적 만족도가 매우 높다. 정확하고 섬세한 로봇 수술 기구를 이용하기 때문에 부갑상선, 신경, 혈관 손상이 최소화된다는 장점이 있다. 다만, 진행된 갑상선 암에는 적용하기 힘든 경우가 있으며 고가의 수술비용이 든다는 단점이 있다.