病理学表现如下：
1.肉眼所见：术中可见病变掩盖于外观正常的皮质骨或反应骨之下，软组织很容易被剥离，开窗之后可见病变组织血供丰富，易碎，几乎呈海绵样。用手术刀或刮匙很容易将病变组织去一刮除物为柔软的红褐色组织，其间散布有金黄色组织。
2.显微镜下所见：巨细胞瘤的主要镜下特征是：形态单调的基质细胞，小而形态均一的多核巨细胞，丰富的血管以及明显的坏死。基质细胞含有大的空泡样细胞核，核膜明显，其内含有一个或两个核仁，巨细胞由基质细胞融合而成，体积小而均一，细胞核的特征同基质细胞，病变组织经常由合胞体或巨细胞网络构成，很难辨别出基质细胞和巨细胞，这些细胞和血管一起即构成了有活力的肿瘤组织，其质地柔软易碎且呈红褐色。在病变的其他部位可以见到完全不同的图像，这些区域由较硬的黄色组织构成，其显著特征是大片的坏死区，坏死区内有多核巨细胞的残影，成熟的纤维组织，含铁血黄素颗粒并且偶尔可见小团的体积较大且充满脂肪的组织细胞。
在病变组织的毛细血管和小静脉内也可见到肿瘤细胞栓，在肿瘤侵犯关节软骨的部位，肿瘤细胞看上去直接破坏关节软骨。
3.病理特点：肿瘤组织为淡红色脆弱的肉芽样组织，因出血可呈暗红色，其中常混以坏死组织，瘤内有大小不等的囊腔形成，内含少量血性或棕黄色液体，腔内覆以光滑的薄膜，镜下见丰富的血管网，充满形状一致的短梭形，圆形或椭圆形间质细胞和散在的多核巨细胞，巨细胞胞核相似，根据间质细胞的多少和分化程度，以及巨细胞核数的多少可分为不同等级，Ⅰ级为良性，间质细胞较少，巨细胞大，核多，偶有肺转移;Ⅱ级介于良，恶性之间，间质细胞较多，核有轻度异形性，有分裂象，巨细胞较少，核较少;Ⅲ级为恶性，间质细胞增多密集，胞核有程度不同的异形性，分裂象多，巨细胞很小，核很少且有异形。
1.X线检查 病变多位于长骨骨端(骨骺部位)，显示中央或偏心性溶骨性破坏，并侵及干骺端，向关节方向延伸可完全破坏软骨下骨质，一般情况下，病变边界较清楚，呈膨胀性改变，病灶周围一般有反应性薄层骨壳存在，骨壳内壁可有骨嵴突出于病灶内，形成X线下所谓“分叶状”或“皂泡样”改变，部分病例可没有膨胀性改变，肿瘤可破坏或突破骨皮质，进入周围软组织，形成软组织内肿块，骨膜反应一般不存在，有病理性骨折时则另当别论，有时可同时伴有患骨的骨质疏松，骨巨细胞瘤没有钙化肿瘤基质，常可伴有病理性骨折，位于骶骨的骨巨细胞瘤，病变往往是偏心性，且常累及一侧骶髂关节，而脊索瘤往往位于骶骨中央，位于脊椎部位的骨巨细胞瘤病变易累及椎体及椎弓根，脊柱后凸继发于椎体塌陷，累及脊椎前部结构是骨巨细胞瘤的特点，而动脉瘤样骨囊肿，成骨细胞瘤常破坏脊椎后部结构，部分骺板未闭合的病人，溶骨性破坏发生于干骺端，进而穿过骺板累及骺端，X线片可显示其一般特点，但仍不足以确诊。 偶尔发生于骨突部位，如大小粗隆，骨盆和肩胛骨等扁平骨很少见，也有报道骨巨细胞瘤发生于手足部位，脊柱部位(除骶骨外)也很罕见。
骨巨细胞瘤均表现为溶骨性破坏，并有很宽的移行带，病变区的骨皮质常膨胀变薄，病变内残留的骨嵴在X线上表现为分隔现象，肿瘤也可以侵入周围的软组织。一些侵袭性的溶骨性病变的X线表现类似于骨巨细胞瘤，如动脉瘤样骨囊肿和甲状腺功能亢进中的棕色瘤。
2.CT检查：CT检查对确定肿瘤边界方面超过X线片及断层摄片，肿瘤呈实体性改变，CT值与肌肉相近，有时肿瘤内含有囊腔，但很少像动脉瘤样骨囊肿那样看到液体平面，反应性骨壳与正常骨皮质不同，较少钙化，CT检查对于明确与关节软骨及关节腔的关系和肿瘤侵犯周围软组织的程度很有帮助，新型的双螺旋CT通过静脉注射造影剂后，可进行各层面的重建显示肿瘤内的血管，可以替动脉造影。
3.磁共振成像(MRI)：磁共振成像是骨巨细胞瘤最好的成像方法，它具有高质量的对比度和分辨率，肿瘤在纵向弛豫时间(T1加权像)呈现低强度信号，在横向弛豫时间(T2加权像)表现为高强度信号，因此看髓内病变最好用T1加权像，在观察皮质外病变时最好用T2加权像，MRI在显示任何骨外的侵犯及关节累及程度有优势，而CT对于观察骨皮质破坏及反应性骨壳具有特点，MRI及CT对早期发现肿瘤的复发非常有用，绝大多数病变由数量不等的存活组织和坏死组织混合构成，这样的病变其MRI信号不均匀，高信号和低信号区相间存在。
软骨下病变向邻近关节的蔓延通常发生于关节内韧带的起止点处，比较常见的是膝关节的交叉韧带，直接通过关节软骨向关节内蔓延比较少见，但确实可以发生，巨细胞瘤这种直接侵犯和破坏关节软骨的倾向，虽不为其所独有，但比其他任何肿瘤(包括恶性肿瘤)都常见，通过病理骨折向关节内蔓延不常见，但确可发生，因此当有病理骨折发生时，必须检查有无关节内蔓延，对整个病变标本进行观察，其外观是非常多样化的，有的病变完全由柔软，血供丰富且呈红褐色的易碎组织构成，由于这种病变含水量高，因此在MRI上表现为质地均匀的高信号。
另有一些病变主要由较硬的黄色干酪样组织或海绵样坏死组织构成，几乎不含血管组织，这些区域由坏死的肿瘤组织和大而充满脂肪的组织细胞构成。
