El radioyodo-131 (I-131) es una terapia esencial para pacientes con carcinomas tiroideos diferenciados (CTD). En general, el I-131 es seguro y bien tolerado, pero los pacientes pueden presentar complicaciones tempranas o tardías en las áreas oral y maxilofacial. Así, el objetivo de este estudio fue evaluar in vitro la alteración del esmalte y la dentina después de la exposición al I-131 utilizando evaluación histopatológica, microscopía electrónica de barrido (SEM) y microscopía de fuerza atómica (AFM). Para la irradiación con I-131, se utilizó un protocolo in vitro que simula el procedimiento de terapia de irradiación realizado para pacientes con CTD. Un total de 42 dientes se dividieron en siete grupos (n = 6) y se irradiaron de la siguiente manera: control, grupos de irradiación (3, 6, 12, 36, 48 h, 8 días). Se observaron cambios histológicos a las 48 h (superficie del esmalte con áreas multifocales e irregulares) y a los 8 días (superficie del esmalte con múltiples cavidades muy profundas y delimitadas). Las imágenes de SEM revelaron que la destrucción del esmalte progresa a medida que aumenta el tiempo de tratamiento. Las alteraciones se extienden en la profundidad del esmalte y los desechos de hidroxiapatita desplazados son abrumadores. La interfaz esmalte-dentina muestra pequeños huecos después de 6 h y un valle muy bien desarrollado después de 12 h; la microestructura de la interfaz resultante después de 8 días está profundamente alterada. Las imágenes de AFM muestran que el I-131 afecta el enlace proteico entre los nano-cristales de hidroxiapatita, causando pérdida de cohesión, lo que lleva a un aumento significativo del diámetro de las nanopartículas después de 6 h. En conclusión, tanto el esmalte como la dentina parecen estar alterados entre 12 y 48 h y después de 8 días de tratamiento se extienden en profundidad.