Macroscopicamente, il tumore si presenta come massa ben circoscritta con un nodulo carnoso associato comunemente a un'ampia cavità ripiena di un liquido che tipicamente coagula all'aria. La neoplasia comunque può anche presentarsi con o senza degenerazione cistica. Al microscopio nelle zone solide la neoplasia è composta da astrociti neoplastici con un citoplasma fibrillare intensamente eosinofilo (colorabile con eosina) e nuclei allungati e rotondeggianti senza atipie. Nelle aree microcistiche i prolungamenti citoplasmatici hanno sempre l'apparenza di fibrille ma sono minori in numero e si irradiano in tutte le direzioni. Molto frequenti nell'astrocitoma pilocitico sono le fibre di Rosenthal ed i corpi granulosi.