Perorálně podávaný levothyroxin je téměř výhradně absorbován v horním traktu tenkého střeva. V závislosti na farmaceutické formulaci je absorbováno až 80 %. Tmax činí 1-5 hodin.
Po zahájení perorální terapie účinek nastupuje do 3-5 dní. Levothyroxin vykazuje velmi vysokou vazbu na plazmatické proteiny – 99,97 %. Nedochází ke tvorbě kovalentní vazby; proto dochází ke kontinuální a velmi rychlé výměně mezi hormonem vázaným na plazmatické bílkoviny a volnou hormonální frakcí.
Levothyroxin vzhledem k vysoké vazbě na proteiny nelze z těla odstranit hemodialýzou nebo hemoperfuzí.
Poločas eliminace činí v průměru asi 7 dní. Při hypertyreóze je kratší (3-4 dny), zatímco při hypotyreóze delší (asi 9-10 dní). Distribuční objem činí 10-12 l. Třetina levothyroxinu vyskytujícího se mimo štítnou žlázu se nachází v játrech a může být rychle vyměněna se sérovým levothyroxinem. Hormony štítné žlázy jsou vesměs metabolizovány v játrech, ledvinách, mozku a svalech. Metabolity jsou vylučovány v moči a stolici. Metabolická clearance činí asi 1,2 l plazmy denně.