游离T3升高最常见的疾病是原发性甲亢，由于甲状腺腺体本身的病变，导致甲状腺激素分泌过多，又称为原发性甲亢，原发性甲亢最常见的病因是Graves病、毒性结节性甲状腺肿，实验室检查可以表现为游离T3、游离T4的升高，同时TSH水平降低。
另外，甲状腺毒症、亚急性甲状腺炎、产后甲状腺炎，可以导致甲状腺的破坏，甲状腺滤泡腔内储存的甲状腺激素就会释放入血，引起一过性的甲状腺毒症，也会导致游离T3升高。还有就是垂体TSH瘤，当垂体TSH细胞发生瘤变时，就会自主性的分泌TSH，同时伴有游离T3和游离T4水平升高。