癌癥干細胞假說，黃色的細胞是一種干細胞瘤
膠質母細胞瘤的特征是由退化了的細胞包圍的壞死組織。這個特征以及增生血管是它與三級星形細胞瘤的區別。
膠質母細胞瘤有四個亞種。97%的“經典”亞種腫瘤攜帶特別多的表皮生長因子受體基因，這個基因的表現比一般情況要強。在這個亞種中在其它膠質母細胞瘤一般變異的P53基因很少變異。與這個經典亞種相反的頸板亞種中P53基因的變化強烈。充質亞種的特征是神經纖維瘤I型基因的變異率高，而表皮生長因子受體的邊線不較其它亞種特殊。
膠質母細胞瘤一般產生于中樞神經系統的白質里，它們生長迅速，能夠在產生癥狀前就長到很大的幅度。10%以下是從纖維性星形細胞瘤或間變性星形細胞瘤中衍生出來的，它們的生長速度比較慢。這樣的膠質母細胞瘤被稱為衍生膠質母細胞瘤。它們的患者一般比較年輕（平均年齡45歲，一般膠質母細胞瘤患者的平均年齡為62歲）。膠質母細胞瘤能夠蔓延到腦膜或腦室系統壁，導致腦脊液中蛋白質含量過高（{{lang|en|>每分升100毫克），偶爾還會導致腦脊液細胞異常增多到10至100枚細胞，其中大多數為淋巴細胞。被帶入腦脊液的惡性細胞能擴散到脊髓或腦膜神經膠質瘤。但是膠質母細胞瘤極少遠端轉移到中樞神經系統以外。約50%的膠質母細胞瘤占據一個半腦的一葉以上或者擴散到兩個半腦。這樣的腫瘤一般產生于大腦，他們很少體現出經典的入侵到胼胝體的現象，形成蝴蝶狀神經膠質瘤。
由于出血、壞死以及年齡的不同膠質母細胞瘤的形狀可能多樣。X射線計算機斷層成像一般顯示一團帶有一個極其緊密的核的不均勻物質，核的周圍往往現實多個由于水腫造成的環。腫瘤本身的質量加上水腫會對腦室壁產生壓力，導致腦水腫。
在膠質母細胞瘤中發現有具有類似干細胞特征的癌細胞。