脊索瘤呈分叶状，多呈灰褐色或蓝白色，与周围软组织对比鲜明。质地上，从硬韧到胶状，差异较大；可能有局灶性出血或钙化。体积上，大小不一。肿瘤通常侵犯骨髓腔，膨胀性推挤扩张骨皮质形成边界清楚的肿物；肿瘤也可能穿透骨皮质，侵犯临近软组织。
脊索瘤由小叶状或巢状聚集的大上皮样细胞和纤维束间隔构成。肿瘤细胞呈片状、带状或单独分布于粘液样基质中，富含粉红色细胞质；细胞核中等大小，呈轻、中度异型性；数量不等的细胞有明显空泡，使细胞质呈现“多泡样”改变。瘤内有丝分裂比较局限，而坏死灶常见。肿瘤细胞含有过碘酸-希夫氏淀粉酶敏感的糖原。免疫组化染色中，脊索瘤的S-和上皮标记物如角蛋白和上皮细胞膜抗原阳性。
脊索瘤全球共识会议根据世界卫生组织(WHO)第四版软组织和骨肿瘤病理学分类标准(年出版)，将脊索瘤分为四种亚型[11,21]：经典型、软骨型、去分化型和肉瘤样脊索瘤。经典型最为常见；软骨型以细胞基质类似于透明软骨为特点；去分化型除含有经典肿瘤成分外，还包含未分化的纺锤形细胞或类骨肉瘤样细胞，两种成份界限清晰；肉瘤样脊索瘤中，上皮样细胞被纺锤形细胞替代。Brachyury染色是脊索组织分化过程中重要的转录因子，是目前公认的脊索瘤特征性鉴别诊断指标；去分化型的肉瘤样成份中不表达brachyury，而其经典成份仍呈(+)；而其他3种亚型均表达brachyury。
