I tumori bruni sono costituiti da tessuto connettivo fibroso, osso spugnoso e vasi sanguigni, ma sono privi di matrice ossea. Gli osteoclasti consumano l'osso trabecolato composto dagli osteoblasti e si genera così una zona di deposizione di nuovo osso seguita da ulteriore riassorbimento, che può espandersi oltre il margine dell'osso preesistente coinvolgendo il periostio e provocando dolore. La caratteristica colorazione brunastra deriva dalla deposizione di emosiderina nelle cisti lasciate dal processo di osteolisi. I depositi di emosiderina non sono un reperto esclusivo dei tumori bruni: è possibile trovarli anche nei tumori a cellule giganti dell'osso.