镜观示肿瘤由纺锤状或不规则形状的恶性内皮细胞构成，其边界不清。细胞质嗜酸性、核深染，形态狭长或不规则胞核核仁可大可小，同样嗜酸性。染色体颗粒细、核小双染。亦可见大而异形的细胞核以及多核细胞，核分裂象常见。薄壁静脉散布于肿瘤内约半数病例见有造血细胞灶本病最早的镜下改变是窦状上皮细胞增大伴核染色质增多随着病变发展，细胞核多染性程度增加，肝窦扩张肿瘤细胞在肝血窦内增殖可导致进行的肝细胞萎缩，肝板断裂，血管腔增大形成大小不一的空腔起初，恶性细胞由单层网状蛋白纤维支撑，随着肿瘤结节的生长胶原不断沉积，最后完全取代萎缩的肝细胞。随着血管腔的扩大肿瘤渐呈海绵状，血管腔中的细胞可呈单层但更常见的是呈多层或凸出于血管腔中。腔壁粗糙不平内壁衬以肿瘤组织细胞有时为息肉样或乳头状突出物，腔内充满凝血块和肿瘤细片。肿瘤侵及肝终端小静脉和门静脉分支可导致这些血管的堵塞，此可解释为何肿瘤常易发生出血梗死和坏死有时肿瘤细胞密聚成小结节状实性团块，类似纤维肉瘤但可在其他区域见内衬轻度异型内皮细胞的裂隙样腔隙钍剂所致血管肉瘤可见造血现象。

　　应用免疫组织化学技术可发现肿瘤细胞中Ⅷ因子相关抗原呈阳性。

　　在大多数病例中肿瘤可侵犯门静脉或中央静脉，这种情况多发生于肿瘤结节内但亦可发生在远处的肝小叶骨髓外造血灶常见可因微血管溶血性贫血而继发铁质沉着在胶质二氧化钍诱发的肝血管肉瘤中，容易见到胶质二氧化钍沉积于网状内皮细胞内或游离于汇管区Glisson鞘膜或肝终端小静脉壁内该沉积物无色、可折光，HE染色沉积物通常呈粉红和棕黄色。放射自显影可显示二氧化钍发出的α射线，表现为短的点状轨迹能量分散X射线微量分析亦可测出钍元素由二氧化钍砷或氯乙烯引起的血管肉瘤在非肿瘤组织中往往有肝硬化和纤维化约1/3患者有特发性肝硬化由明确致病因子引起的肿瘤与特发性肿瘤之间无形态学上的差别。