在用尼氏法等一般染色组织切片中，星形胶质细胞的核比其他胶质细胞的核大，呈圆形或卵圆形，常染色质多，异染色质少而分散，故染色浅，核仁不明显。胞质中没有尼氏体，但具有一般的细胞器。胞质中含有大量交错排列的原纤维，伸人到胞突中并与胞突平行行走，是构成细胞骨架的主要成分。原纤维的超微结构是一种中间丝，称为胶质丝(glialfilament)，其直径介于微管(25μm)和微丝(6μm)之间，由相对分子质量为47000—50000的蛋白质组成，此类蛋白质被称作为胶原原纤维酸性蛋白(glialfibrillaryacidprotein，GFAP)。利用细胞免疫法证明GFAP仅存在于星形胶质细胞的胞体中，因此可利用GFAP的特异性抗体来检测星形胶质细胞。

根据胶质丝的含量以及胞突的形状可将星形胶质细胞分为两种：纤维性星形胶质细胞(fibrousastrocyte)多分布在脑脊髓的皮质，突起细长，分支较少，胞质中含大量胶质丝，又称蜘蛛细胞(spidercell)；原浆性星形胶质细胞(protoplasmicastrocyte)，多分布在灰质，细胞突起粗短，分支多。胞质内胶质丝较少，又称苔状细胞(mossycell)。电镜下星形胶质细胞的胞核有缺刻，胞质较清亮，游离核糖核蛋白体和粗面内质网均很少，糖原颗粒丰富，有大量的胶质丝。纤维形星形胶质细胞的突起呈长圆柱形，而原浆性星形胶质细胞的突起呈薄片状，并常包裹着神经细胞及其突触(不伸人突触间隙)。星形胶质细胞的脚板与血管内皮细胞之间相隔一层基板，脚板质膜与基板接触处有半桥。