Si riscontrano acantosi, paracheratosi, ipercheratosi ed assottigliamento dello strato granuloso dell'epidermide. I cheratinociti mostrano nuclei ipercromici, pleomorfismo, nucleoli prominenti, perdità di polarità. Le figure mitotiche sono più frequenti rispetto al normale. A differenza della malattia di Bowen non vi è coinvolgimento del follicolo pilifero e questo porta alla formazione di "colonne" ortocheratosiche ben distinguibili. Le lesioni non superano mai la membrana basale ma possono estendersi a tutto spessore nell'epidermide e in tal caso vengono denominate cheratosi attiniche bowenoidi. Il derma presenta elastosi solare, infiltrato infiammatorio di entità variabile costituito prevalentemente da linfociti e plasmacellule, aumentato numero di vasi sanguigni nella porzione papillare. Sono state descritte delle varianti di cheratosi attinica basate sia sull'aspetto macroscopico che su quello microscopico: acantolitica, atrofica, bowenoide, ipertrofica, lichenoide, pigmentata.