Il microcitoma insorge preferenzialmente in sede ilare, con tipico interessamento delle vie respiratorie di calibro maggiore. Lo sviluppo della massa tumorale è prevalentemente sottomucoso, anche se in alcuni casi possono essere presenti esfoliazioni bronchiali. Le cellule del microcitoma sono caratterizzate da un'elevata conta mitotica, con formazione di gruppi cellulari senza organizzazione squamosa o ghiandolare. Le cellule sono piccole, ovali o rotonde, con margini ben definiti. Il citoplasma è scarso, il materiale nucleare è finemente disperso e il nucleolo spesso è poco evidente. La necrosi tissutale e perivascolare costituisce un reperto istologico comune. Tramite colorazioni immunoistochimiche è possibile ricercare marcatori neuroendocrini come la cromogranina, la sinaptofisina e la Leu-7, in virtù dell'origine dalle cellule del sistema APUD. Un'ulteriore conferma può essere data ricercando il gene anti-apoptotico (vedi patogenesi) Bcl-2, iperespresso in oltre il 90% di questi tumori. Occorre prestare particolare attenzione nella diagnosi differenziale tra SCLC e carcinoide polmonare "atipico".