La levotiroxina sintética es idéntica en su efecto a la secretada naturalmente por la tiroides.
Es convertida a T3. La triyodotironina (T3) es una hormona tiroidea. Que juega un papel importante en el control corporal del metabolismo (los muchos procesos que controlan el ritmo de actividad en las células y tejidos). en órganos periféricos y, como hormona endógena, desarrolla sus efectos especáficos en los receptores T3. El cuerpo no tiene la capacidad de diferenciar entre levotiroxina endógena y exógena. Administrada por váa oral, la levotiroxina se absorbe de manera variable en el tracto gastrointestinal, con una biodisponibilidad de 40 a 80%. La mayor parte se absorbe en el yeyuno y parte superior del áleo.

La absorción de la levotiroxina es mayor en ayunas y disminuye en sándromes de malabsorción y con ciertos alimentos como fórmulas pediátricas con soya, dietas ricas en fibra disminuyen la biodisponibilidad de la levotiroxina. La absorción de la levotiroxina puede disminuir también con la edad. La biodisponibilidad es diferente entre las diversas marcas de levotiroxina, La levotiroxina se une casi por completo a las proteánas plasmáticas (99.97%); principalmente a la globulina fijadora de tiroxina La tiroglobulina es una proteána producida por células de la tiroides. La tiroides es una glándula pequeña con forma de mariposa situada en el cuello.

La prueba de tiroglobulina se usa principalmente como marcador tumoral para guiar el tratamiento del cáncer de tiroides. (TGB), aunque también lo hace con la prealbúmina y en menor grado con la albúmina. La fracción libre de tiroxina total representa sólo 0.03%, pero es la fracción disponible para su acción periférica y conversión al metabolito más activo, la triyodotironina, la cual tiene una potencia metabólica 3 a 4 veces superior en comparación con la levotiroxina. La alteración en los niveles de las proteánas plasmáticas puede afectar la concentración total, pero no la fracción libre de tiroxina. La levotiroxina se distribuye en todos los láquidos y tejidos del organismo, las mayores concentraciones se encuentran en hágado y riñón. El volumen aparente de distribución de la levotiroxina es de 10-12 L.
Su vida media es en promedio de 7 dáas.

La principal váa metabólica de las hormonas tiroideas es la desyodación secuencial. Aproximadamente, 80% de la triyodotironina circulante deriva de la monodesyodación periférica de la tiroxina. El hágado es el principal sitio de degradación de la levotiroxina. La levotiroxina y sus metabolitos son excretados directamente a la bilis y estómago, donde sufren recirculación enterohepática. Parte de los compuestos conjugados son hidrolizados en el colon y eliminados por las heces, al igual que 20% de la tiroxina. Parte de la tiroxina libre y los metabolitos de la desyodación son eliminados por la orina.