TAO的三大特点是眼睑退缩、眼球突出和眼外肌肥大。鉴别诊断主要应从这3个方面加以区别。
眼睑退缩：除TAO眼睑退缩外，表3有16种非甲状腺因素均可引起眼睑退缩。需详细询问病史、仔细检查眼部，方能查出眼睑退缩原因。如上睑下垂患者，为睁大该眼，用力向上方看，发放过多的神经兴奋达对侧健眼，使其上睑收缩，睑裂过大，类似于TAO病上睑退缩，但无下落迟缓。此时检查下垂的上睑时，发现提上睑肌功能差。若病人出生后睑裂小为先天性上睑下垂，受过外伤为外伤性上睑下垂，上睑水肿为机械性上睑下垂。

眼球突出：很多眼眶病都可引起眼球前突，TAO双眼突度多不对称，差值常小于3mm，但多不超过7mm，眼眶肿瘤常为单眼且突眼度随肿瘤发展加大，可出现双眼极不对称而超过7mm。TAO常为轴性眼球前突伴限制性活动受限，而泪腺肿瘤向内下方向突出，额、筛窦囊肿引起眼球向外下方突出等。
眼外肌肥大：很多全身和眼部病变可导致眼外肌肥大(表4)。眼眶炎性假瘤常见4种类型：泪腺肿大、眼眶弥漫性炎症、巩膜炎和眼外肌炎，常为急性发作，可表现为眼眶深部疼痛，眼球前突伴眼睑红肿或红斑，上睑下垂。而TAO的眼球前突，通常伴眼睑水肿、上睑退缩、砂样异物感等。CT扫描TAO的眼外肌肌腹肥大，肌腱不肥大。眼眶炎性假瘤的眼外肌不规则肿大，肌腹肌腱同时受累，眼环增厚等。

海绵窦-颈动脉瘘可致患者眼球前突和眼外肌轻度肥大，可出现眼球搏动，眼眶可闻及杂音，眼压升高。有特殊的外眼体征，结膜浅层静脉扩张直达角膜缘，血液较鲜红，形成所谓小动脉化的红眼，查房角可见施氏管充血。CT检查除眼外肌肥大外，还发现眼上静脉增粗和其他血管扩张畸形，MRI显示更为清楚。这些发现均可与TAO相鉴别。