星形胶质细胞是胶质细胞中胞体最大的，直径3-5微米，核呈圆球形常位于中央，用经典的银染色法显示此类胶质细胞呈星形。星形胶质细胞从胞体发出许多长而分支的突起，伸展充填在神经细胞的胞体及其突起之间，起支持和分隔神经细胞的作用。细胞突起的末端常膨大形成脚板（ footplate）或终足（ endfoot），有些脚板贴附在邻近的毛细血管壁上，因此这些脚板又被称为血管足或血管周足；某些星形细胞突起还附着在脑脊髓软膜和室管膜的下膜上，把软膜、室管膜与神经元分隔开。相邻的星形胶质细胞之间通过缝隙连接相互联系，使细胞形成同步活动电镜下星形胶质细胞中游离核糖核蛋白体和粗面内质网均很少，糖原颗粒丰富，有大量的称为胶质丝（ glial filament）的原纤维。 [3]
在用尼氏法等一般染色组织切片中，星形胶质细胞的核比其他胶质细胞的核大，呈圆形或卵圆形，常染色质多，异染色质少而分散，故染色浅，核仁不明显。胞质中没有尼氏体，但具有一般的细胞器。胞质中含有大量交错排列的原纤维，伸入到胞突中并与胞突平行行走，是构成细胞骨架的主要成分。原纤维的超微结构是一种中间丝，称为胶质丝（glial filament），其直径介于微管（25μm）和微丝（6μm）之间，由相对分子质量为47000-50000的蛋白质组成，此类蛋白质被称作为胶原原纤维酸性蛋白（glial fibrillary acid protein，GFAP）。利用细胞免疫法证明GFAP仅存在于星形胶质细胞的胞体中，因此可利用GFAP的特异性抗体来检测星形胶质细胞。