在用尼氏法等一般染色組織切片中，星形膠質細胞的核比其他膠質細胞的核大，呈圓形或卵圓形，常染色質多，異染色質少而分散，故染色淺，核仁不明顯。胞質中沒有尼氏體，但具有一般的細胞器。胞質中含有大量交錯排列的原纖維，伸人到胞突中並與胞突平行行走，是構成細胞骨架的主要成分。原纖維的超微結構是一種中間絲，稱為膠質絲(glialfilament)，其直徑介於微管(25μm)和微絲(6μm)之間，由相對分子質量為47000—50000的蛋白質組成，此類蛋白質被稱作為膠原原纖維酸性蛋白(glialfibrillaryacidprotein，GFAP)。利用細胞免疫法證明GFAP僅存在於星形膠質細胞的胞體中，因此可利用GFAP的特異性抗體來檢測星形膠質細胞。
根據膠質絲的含量以及胞突的形狀可將星形膠質細胞分為兩種：纖維性星形膠質細胞(fibrousastrocyte)多分布在腦脊髓的皮質，突起細長，分支較少，胞質中含大量膠質絲，又稱蜘蛛細胞(spidercell)；原漿性星形膠質細胞(protoplasmicastrocyte)，多分布在灰質，細胞突起粗短，分支多。胞質內膠質絲較少，又稱苔狀細胞(mossycell)。電鏡下星形膠質細胞的胞核有缺刻，胞質較清亮，游離核糖核蛋白體和粗面內質網均很少，糖原顆粒豐富，有大量的膠質絲。纖維形星形膠質細胞的突起呈長圓柱形，而原漿性星形膠質細胞的突起呈薄片狀，並常包裹著神經細胞及其突觸(不伸人突觸間隙)。星形膠質細胞的腳板與血管內皮細胞之間相隔一層基板，腳板質膜與基板接觸處有半橋。
