Il microcitoma è un tumore che origina da cellule neuroendocrine presenti nell'epitelio bronchiale (cellule del sistema APUD); in particolare, rappresenta l'estremità maligna di una serie di tumori ad origine neuroendocrina di cui fanno parte il carcinoide tipico ed atipico e il carcinoma polmonare a grandi cellule. A differenza dei NSCLC, il microcitoma non è connesso con mutazione del recettore per EGF o con un'alterazione della via di trasduzione legata alla proterina RAS; questo tuttavia non significa che durante le fasi di progressione neoplastica non si possano sviluppare mutazioni a carico di questi geni. L'evento patogenetico scatenante è da ricercare nella mutazione dei geni della famiglia Myc che comprendono cMyc, MYCN e MYCL; in particolare, la mutazione di questi 2 ultimi è specifica del SCLC. Ulteriori geni coinvolti nella specifica patogenesi del SCLC sono p53 e Bcl-2; l'inattivazione del primo e la amplificazione del secondo, giustificano la capacità di evasione dalla apoptosi e la peculiare progressione neoplastica di questo tipo di tumore. Ultimamente l'attenzione è stata focalizzata nel gene CMRP1 (collapsin response mediator protein 1) che codifica una proteina implicata nei processi di regolazione dello sviluppo delle cellule del sistema nervoso; l'alterata espressione di questa proteina nelle cellule tumorali potrebbe essere implicata nella precoce capacità metastatica propria del carcinoma polmonare a piccole cellule SCLC.