大体上，胆囊癌更倾向于形成硬而弥漫的外观，而非单独的肿块。部分病例会出现管腔息肉状结构，一旦出现这种情况，通常表现为囊内的乳头状肿瘤。胆囊癌患者经常能发现并发有胆结石，因此两者关系密切。瓷化胆囊的病例胆囊壁会钙化变硬，胆囊癌最好发部位是胆囊底（60%），其次是胆囊体（30%），再次是胆囊颈（10%）。

组织学上，大多数胆囊癌为腺癌，也可见到鳞状细胞癌、神经内分泌癌（包括小细胞和大细胞神经内分泌癌），以及未分化癌。由腺癌及神经内分泌癌混合形成的混合性癌亦见报道。

胆囊癌的镜下表现因组织学类型不同而有差异。腺癌来源于胆囊上皮，存在不同的组织学形态：包括胃小凹型腺癌、肠型腺癌、透明细胞腺癌、黏液腺癌、印戒细胞癌。其中大部分表现为典型的胰胆管腺癌。癌变的腺体被纤维基质分隔而呈现杂乱无章的形态。肿瘤细胞通常为立方形。无论是单独还是呈束，胆囊癌细胞均具有明显的异形性。

与胆囊癌相关的基因突变目前报道较多的包括p53、K-ras和CDKN2（9p21）。

由于胆囊没有黏膜及黏膜下组织，因此癌细胞容易局部侵犯肝脏或累及其他器官，同时可以通过淋巴回流转移到邻近淋巴结。多项研究显示胆囊管淋巴结可被作为前哨淋巴结，癌细胞往往通过该淋巴结扩散到其他区域。胆囊癌最容易出现肝脏的直接侵犯，手术时约有70%的患者存在这种情况。