小细胞肺癌在电镜下常常表现为细胞体积比较小，稍大于淋巴细胞，胞核相对比较大，呈锯齿状，染色质积聚呈片状，量比较多，而核仁比较小，核分裂象常见，胞浆少，线粒体丰富，粗面内质网稀疏，可以见到比较多的核糖体和空泡，溶酶体比较少，胞浆内可以见到特征性的神经内分泌颗粒，属于一种致密核心颗粒。

这种颗粒呈圆形或者卵圆形，直径大概在50-266纳米，外围有一层薄膜，膜和致密核心中间有一个窄的透明间隙。有的时候电镜下还可以见到少量的张力微丝素，黏液颗粒和神经内分泌的颗粒。中间细胞型和燕麦细胞型小细胞肺癌的不同点，主要表现在核仁更加明显，有的时候是多个核仁。神经内分泌颗粒的多形性比较常见，多数病例的胞浆内可以找到张力微丝素和细胞间桥粒连接。小细胞未分化癌胞浆内含神经内分泌颗粒明显少于燕麦细胞型。