Het afgenomen weefsel wordt na de punctie door de patholoog onderzocht in een laboratorium. Een patholoog is een persoon die kennis heeft van de lichamelijke afwijkingen veroorzaakt door ziekte. Bij aankomst op de pathologie worden de afgenomen cellen (die op een doorzichtig glaasje worden bewaard) voorzien van kleurstoffen. Zo kan de patholoog kijken naar alle details van de cellen en van het materiaal dat meekomt met de cellen. Op basis van losse cellen, maakt de patholoog een inschatting over wat voor type afwijking het is. Soms levert het onderzoek te weinig cellen om te onderzoeken en dan moet het onderzoek worden herhaald. Ook zijn er afwijkingen die niet helemaal kunnen worden vastgesteld met alleen losse cellen van een punctie. In dit geval is een diagnostische operatie nodig, waarbij de chirurg de helft van de schildklier verwijderd.