โรคคอพอกตาโปนเป็นความผิดปกติชนิดภูมิต้านตนเอง ซึ่งเกิดจากร่างกายผลิตแอนติบอดีต่อตัวรับฮอร์โมนกระตุ้นต่อมไทรอยด์ (TSH receptor) (อาจพบการผลิตแอนติบอดีต่อไทโรกลอบูลินหรือต่อไทรอยด์ฮอร์โมน T3 และ T4 ก็ได้)

แอนติบอดีเหล่านี้จะจับกับตัวรับฮอร์โมนกระตุ้นต่อมไทรอยด์ และกระตุ้นต่อมไทรอยด์ตลอดเวลาทำให้เกิดภาวะต่อมไทรอยด์ทำงานเกิน (hyperthyroidism) ตัวรับดังกล่าวแสดงออกอยู่บนเซลล์ฟอลลิคูลาร์ของต่อมไทรอยด์ซึ่งเป็นเซลล์ที่ผลิตไทรอยด์ฮอร์โมน การกระตุ้นอย่างต่อเนื่องทำให้เกิดการผลิต T3 และ T4 สูงกว่าปกติ ทำให้มีอาการแสดงของภาวะต่อมไทรอยด์ทำงานเกิน และทำให้ต่อมไทรอยด์มีขนาดโตขึ้นจนเห็นเป็นคอพอก

อาการตาโปนซึ่งพบได้บ่อยเกิดเนื่องจากต่อมไทรอยด์และกล้ามเนื้อนอกลูกตา (extraocular muscles) มีลักษณะแอนติเจนที่เหมือนกันซึ่งจะทำปฏิกิริยากับแอนติบอดีที่จำเพาะได้เช่นเดียวกัน แอนติบอดีที่จับกับกล้ามเนื้อนอกลูกตาจะทำให้เกิดการบวมด้านหลังลูกตา

ลักษณะผิวหนังที่เหมือนเปลือกส้ม ("orange peel" skin) อธิบายว่าเกิดจากแอนติบอดีที่แทรกอยู่ใต้ผิวหนัง ทำให้เกิดปฏิกิริยาอักเสบ และทำให้เกิดแผ่นพังผืดตามมา

แอนติบอดีที่ทำปฏิกิริยากับตัวรับฮอร์โมนทีเอสเอชที่พบในปัจจุบันมี 3 ชนิด ได้แก่

• TSI (Thyroid stimulating immunoglobulins) แอนติบอดีเหล่านี้ (ส่วนใหญ่เป็น IgG) ทำปฏิกิริยาเป็น LATS (Long Acting Thyroid Stimulants) ซึ่งกระตุ้นเซลล์ได้นานและช้ากว่าทีเอสเอช ทำให้เกิดการผลิตไทรอยด์ฮอร์โมนได้มากกว่าปกติ
• TGI (Thyroid growth immunoglobulins) แอนติบอดีเหล่านี้จับโดยตรงกับตัวรับฮอร์โมนทีเอสเอช และทำให้เกิดการเจริญของไทรอยด์ฟอลลิเคิล
• TBII (Thyrotrophin Binding-Inhibiting Immunoglobulins) แอนติบอดียับยั้งการจับกันของทีเอสเอชและตัวรับ ในบางครั้งอาจทำปฏิกิริยาเหมือนตัวมันเองเป็นทีเอสเอชซึ่งกระตุ้นการทำงานของต่อมไทรอยด์ ส่วนอีกประเภทหนึ่งจะไม่กระตุ้นต่อมไทรอยด์แต่จะยับยั้งไม่ให้ทีเอสเอช และ TSI จับและกระตุ้นกับตัวรับทีเอสเอช