病變多發生于真皮和表皮交界處，瘤細胞類似痣細胞，但明顯異型，細胞間質和細胞內充滿黑色素，根據細胞形態和黑色素量的不一，可分5型。
1、大上皮樣細胞多見，細胞呈多邊形。
2、小上皮樣細胞核大而不典型。
3、梭形細胞胞質呈原纖維樣，核大染色深。
4、畸形細胞為單核或多核。
5、樹枝突細胞比正常黑色素細胞大，胞核異型，瘤細胞對酪酶呈強陽性反應，含黑色素少時，在HE切片內難以證實，故有“無黑色素性黑色素瘤”之稱，但若用銀染色，在少數細胞內仍可檢出黑色素。
黑色素細胞瘤可由表皮黑色素細胞，痣細胞或真皮成黑色素細胞組成。腫瘤起源于外胚葉的神經嵴，黑色素細胞位于表皮層與基底細胞間排列，細胞產生色素后，通過樹狀突將黑色素顆粒輸送到基底細胞和毛發內。
大多數惡性黑色素瘤的發生，是由于黑色素痣受到反復的摩擦、抓起和損傷而引起惡變，不適當的挖除和藥物腐蝕等，可使良性黑色素痣轉化成惡性黑色素瘤。