大細胞肺癌起源于支氣管粘膜上皮，局限于基底膜內者稱為原位癌。癌腫可向支氣管腔內或/和臨近的肺組織生長，并可通過淋巴、血行或經支氣管轉移擴散。其生長速度和轉移擴散的情況與具體的組織學類型、分化程度等生物學特性有一定關系。
大細胞肺癌常發生于肺上葉，多為周圍型，體積較大，邊界清楚，分葉，少見空洞。
根據其病理類型可分為4類：
1）大細胞神經內分泌癌 這是一類顯示神經內分泌分化的大細胞癌。細胞較大，呈多角形，胞質嗜酸，核多形，核仁較明顯，核分裂像多見，常見大面積壞死。免疫組化染色，神經內分泌標記陽性，電鏡下可見神經內分泌顆粒。
2）基底細胞樣癌 細胞較大，立方形或梭形，分葉狀或實性巢狀排列，周邊部癌細胞呈柵欄狀排列。
3）淋巴上皮瘤樣癌 罕見。組織形態與鼻咽部淋巴上皮瘤樣癌相同。癌細胞打，泡狀核，核仁明顯，細胞成片或呈巢狀，癌巢內及間質中有淋巴細胞侵潤。
4）透明細胞癌 罕見。瘤細胞打，多角形，胞質透明或泡沫狀，無粘液，伴或不伴糖原。
伴橫紋肌樣表型的大細胞癌 罕見。細胞核大，多形性，胞質豐富，有嗜酸性小球，免疫組織化學既表達上皮性抗原，也顯示橫紋肌表型。