鏡觀示腫瘤由紡錘狀或不規則形狀的惡性內皮細胞構成，其邊界不清。細胞質嗜酸性、核深染，形態狹長或不規則胞核核仁可大可小，同樣嗜酸性。染色體顆粒細、核小雙染。亦可見大而異形的細胞核以及多核細胞，核分裂象常見。薄壁靜脈散布于腫瘤內約半數病例見有造血細胞灶本病最早的鏡下改變是竇狀上皮細胞增大伴核染色質增多隨著病變發展，細胞核多染性程度增加，肝竇擴張腫瘤細胞在肝血竇內增殖可導致進行的肝細胞萎縮，肝板斷裂，血管腔增大形成大小不一的空腔起初，惡性細胞由單層網狀蛋白纖維支撐，隨著腫瘤結節的生長膠原不斷沉積，最后完全取代萎縮的肝細胞。隨著血管腔的擴大腫瘤漸呈海綿狀，血管腔中的細胞可呈單層但更常見的是呈多層或凸出于血管腔中。腔壁粗糙不平內壁襯以腫瘤組織細胞有時為息肉樣或乳頭狀突出物，腔內充滿凝血塊和腫瘤細片。腫瘤侵及肝終端小靜脈和門靜脈分支可導致這些血管的堵塞，此可解釋為何腫瘤常易發生出血梗死和壞死有時腫瘤細胞密聚成小結節狀實性團塊，類似纖維肉瘤但可在其他區域見內襯輕度異型內皮細胞的裂隙樣腔隙釷劑所致血管肉瘤可見造血現象。
應用免疫組織化學技術可發現腫瘤細胞中Ⅷ因子相關抗原呈陽性。
在大多數病例中腫瘤可侵犯門靜脈或中央靜脈，這種情況多發生于腫瘤結節內但亦可發生在遠處的肝小葉骨髓外造血灶常見可因微血管溶血性貧血而繼發鐵質沉著在膠質二氧化釷誘發的肝血管肉瘤中，容易見到膠質二氧化釷沉積于網狀內皮細胞內或游離于匯管區Glisson鞘膜或肝終端小靜脈壁內該沉積物無色、可折光，HE染色沉積物通常呈粉紅和棕黃色。放射自顯影可顯示二氧化釷發出的α射線，表現為短的點狀軌跡能量分散X射線微量分析亦可測出釷元素由二氧化釷砷或氯乙烯引起的血管肉瘤在非腫瘤組織中往往有肝硬化和纖維化約1/3患者有特發性肝硬化由明確致病因子引起的腫瘤與特發性腫瘤之間無形態學上的差別。