（一）发病原因
目前有研究发现原发性胶质母细胞瘤与继发性胶质母细胞瘤的分子发生机制不同，原发性胶质母细胞瘤以扩增与过量表达为主，而继发性胶质母细胞瘤则以p53的突变为主要表现。
（二）发病机制
肿瘤好发于大脑半球白质内，浸润性生长，外观呈半球形分叶状，大多数肿瘤境界不清，少数肿瘤因生长迅速而使周围组织受压出现软化和水肿，表现“假包膜”现象，可被误以为境界清楚，其实肿瘤已超出边界浸润生长。
肿瘤的硬度因肿瘤有无继发性改变而异，一般软硬相间，质地不均，肿瘤可呈多种颜色，瘤内常有囊变，坏死及出血，钙化少见，典型肿瘤切面可见灰色的瘤体，红色的新鲜出血，紫色的出血块，黄色的陈旧出血和白色的间质增生，肿瘤亦可有大小不一的坏死灶和囊性变，囊内液体可呈血性，棕色，或黄色，也可为散在于肿瘤实质区内的多个小囊，肿瘤血运丰富，周围脑水肿明显，突出到脑表面和脑室者，肿瘤细胞可随脑脊液播散，个别的可向脑外转移至肺，肝，骨或淋巴结。
胶质母细胞瘤组织表现复杂，形态不一，同一肿瘤的不同部位亦不一致，根据WH0（1990）提出的分类标准，胶质母细胞瘤分为以下两个组织学亚型：①巨细胞型胶质母细胞瘤，②胶质肉瘤，这些亚型的提出，主要是根据肿瘤的某些比较突出的形态特征而定，与患者的预后无肯定的相应关系。
肿瘤细胞有多种组织学形态，增殖的肿瘤细胞常以小而深染的圆细胞为主，伴以间变的未分化的纤维性，原浆性与肥胖性星形细胞，另有大而怪异的来源不明的瘤细胞，肿瘤细胞直径相差悬殊，大者可达30μm以上，小者可能不足10μm，部分肿瘤胞质十分丰富，亦有胞质完全缺如而呈裸核者，核多形性并有较多分裂象，肿瘤坏死区被成堆狭长的肿瘤细胞层层环绕，肿瘤细胞核分裂象相当多见，并可见到单核或多核瘤巨细胞，供血的血管丰富，在肿瘤细胞增殖旺盛的区域内，可出现血管内皮细胞的异常增殖，形成围绕的血管球，与肾小球相似，构成胶质母细胞瘤镜下的另一个特征，来源于血管外膜细胞的间质纤维增生，严重者可成为肿瘤成分。
少数肿瘤可有蛛网膜下腔播散，10%～20%胶质母细胞瘤患者脑脊液中可发现肿瘤细胞，有软脑膜种植者约10%，尸检中达30%，开颅行肿瘤切除术后的患者极少数可发生肿瘤颅外转移。
电镜下肿瘤细胞大小形状不一，形态呈原始低分化，核大而周质少，细胞器稀少但多聚核糖体丰富，核不规则，核仁突出，常见核分裂象，巨细胞的细胞膜常有折叠，有时可见大量微绒毛，细胞器多少不固定，核畸形，多形，或分叶，高度不规则，巨细胞型胶质母细胞瘤的胞质极为宽阔，充满大量胶质丝，方向不定，成熟程度不一，线粒体散在其中，糖原丰富，核染色质与核仁突出，毛细血管和小血管内皮增生呈球状，使血管腔闭锁，大血管内皮都有增生，多层基膜包绕，大量胶质纤维产生，常见肿瘤细胞有不同程度的坏死，坏死灶中和血管周围常见巨噬细胞，成纤维细胞和其他炎性细胞。