從流行病學角度，甲狀腺相關眼病存在群體基因易感性的差異，除老年患者男女比例有所下降外，一般女性患者是男性患者的4-5倍。疾病發生的易感性和嚴重性可能與基因和環境因素有關。HLA-DR組織相容性基因位點（主要與T細胞反應有關）與甲狀腺相關眼病存在連鎖關系，但迄今為止並未發現導致疾病的確切基因。引起甲狀腺相關眼病的病因尚未清楚，但已證實甲狀腺相關眼病、免疫性甲狀腺疾病、胫骨前”黏液性水腫”均與細胞調節和體液調節的免疫機制有關。
發病機制一種理論認為眼眶結締組織、脂肪細胞、可能還有眼外肌細胞是T淋巴細胞的靶組織，促甲狀腺素受體（TSHR）可能作為一種自身抗原在Graves”甲亢”、甲狀腺相關眼病和胫骨前黏液性”水腫”中起一定作用。另一種理論則認為眼外肌存在原發自身抗原，被激活的淋巴細胞（尤其是T細胞）浸潤到眼眶組織，特別是在疾病早期，並引起了相應的眼眶病變。炎細胞浸潤導致細胞因子的釋放，引起大量循環蛋白的繼續表達。局部組織對細胞因子、氧自由基和纖”維生”長因子的反應會刺激纖維母細胞，使糖胺聚糖（GAG）合成增加、細胞生長以及伴隨脂肪前體細胞轉化過程中產生的免疫調節因子的表達。炎細胞浸潤眼眶組織的結果，尤其是纖維母細胞對眼外肌和眼眶軟組織的浸潤作用，會導致眼眶親水性糖胺聚糖（GAG）的增加，肌容積和眶脂肪容積的增大、炎性水腫、肌肉損傷以及”瘢痕”形成。這些機制會產生組織腫脹、炎症、肌肉運動受限和繼發性壓迫改變。
病理生理在急性期，主要的原發改變是炎症，由於眼外肌肥大和眶脂肪容積增加而導致的體積效應，以及肌肉改變產生的運動受限。其次為眼眶依從性的改變和由於眼眶缺乏淋巴回流而導致不同程度的瘀血。
炎症導致肌肉和軟組織腫脹，產生”流淚”、”充血”、不適感和眶周組織水腫。眼外肌肥大發生在眶中後1/3處，隨疾病發展，會出現占位改變（突眼）、瘢痕形成和功能下降，臨床上表現為運動受限進行性加重（包括眼睑退縮）、心理視覺改變（視神經病變）和眼球暴露。疾病的繼發改變受炎症作用、體積效應和眼眶依從性（如眶隔和眶腔內筋膜組織的緊張）的支配，依從性的改變會導致靜脈回流受阻，在眼眶缺乏深部淋巴回流的基礎上，加重了瘀血。這種靜脈回流受阻遠遠超過了眼睑和結膜淋巴管回流的能力，導致眼前結果異常腫脹。由於眼外肌腫脹發生於眼眶後部並引起眶尖狹窄，因此它是導致視功能下降的主要因素。肌肉組織腫脹的程度可能與炎症程度或眶內軟組織體積增大的程度不成比例，但常與”眼球突出”程度特別是肌肉病變的嚴重程度相一致。這種眼眶疾病表現與眾不同的方面之一就是受累肌肉可能存在差異，既可單條也可多條肌肉受累，反映在不同的患者身上有不同的眼外肌病臨床表現。