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细胞形态学分析是细针穿刺的重要一环，是对穿刺所获得的细胞的量和质以及背景信息进行观察，结合临床信息对病变作出判断 ［ 12 , 13 ］ 。
对于细胞量多少才能符合诊断要求没有统一的规定，可因病变的性质而异。最终的判别应是细针穿刺的结果能否解释患者的临床表现，即在绝大多数情况下能否解释患者的肿块。例如根据临床资料提示为单一囊性肿块，即使在穿刺样本中只见到散在巨噬细胞，也应认为是合格的样本。但如果是一实体性病变，只有散在炎症细胞的样本显然是不合格的。对于实体性病变来说，诊断恶性肿瘤所需的细胞量也与肿瘤细胞本身的形态学有关。如肿瘤细胞的异型性大，作出诊断所需的细胞量可少些；对于分化较好细胞异型性不大的肿瘤，则需要更多的细胞量来支持诊断。
有多种因素会影响到细针穿刺所获取的细胞量。如病变本身的性质会影响细针穿刺的细胞量，一些纤维化较多的病变穿刺到的细胞量往往会少些。坏死的病变也不容易取得成活细胞，对于这一类病变应选择病变的周边进行穿刺。另外，穿刺操作本身也会对获取的细胞量造成一定的影响。如穿刺造成肿块内出血，穿刺样本就会被血液所稀释因而造成穿刺细胞量减少。对容易出血的病变操作时应轻巧些并尽量避免损伤肿块内及附近的血管。
肿瘤性肿块可源自上皮、间质或血液系统。这些病变在细针穿刺细胞学上呈现不同的形态学特征。一般来说，上皮起源的肿瘤细胞往往呈团状分布，间质性肿瘤细胞间的黏附性较差常呈单个或松散的成团分布，而血液起源的病变则呈单个细胞分布。
尽管细针穿刺的细胞学缺乏组织学的形态结构，但从细胞的分布也许可以找到一些提示。如腺癌在涂片上细胞可以呈腺管样的排列分布；甲状腺滤泡性病变在涂片上可有微小滤泡和大滤泡样结构。其他的如乳头样结构、玫瑰花环状结构等也可从细胞的排列分布中得到提示。
对于上皮性肿瘤来说，观察细胞之间的黏附性也是判断肿瘤性质及恶性肿瘤分化程度的一个指标。对于细胞间黏附性的判断最好在直接涂片上分析。恶性上皮细胞肿瘤重要的特征之一就是上皮肿瘤细胞之间的黏附性降低，因而在涂片上会出现单个肿瘤细胞。单个肿瘤细胞越多则提示肿瘤的分化越差。当然细胞黏附度只是判断肿瘤性质及分化程度的一个指标，最终的判断还得考虑肿瘤细胞的其他形态学特征，如细胞的异型性等。
判断细胞的大小可以依据一些常见的参照细胞来进行。参照细胞包括红细胞、白细胞等。在穿刺样本中，正常的组织上皮细胞也可以作为参照，如在气管超声镜下穿刺到的正常支气管上皮细胞和胃肠超声镜下穿刺到的正常胃或十二指肠黏膜上皮细胞。
如果是血液系统病变，还可以沿用组织学中常用巨噬细胞的细胞核大小来判断。如病变细胞小于巨噬细胞的细胞核则可称为小细胞性病变，而等于或大于巨噬细胞的细胞核则分别称为中等及大细胞性病变。
细胞的异型性表现为细胞大小参差不齐和形状各异。一般来说，良性肿瘤的细胞比较一致，缺乏异型性；而分化较差的恶性肿瘤细胞则异型性很明显。但也有例外，比如肿瘤细胞大小形状的均一性是一些淋巴瘤的细胞形态学特征，而反应性淋巴结肿大在穿刺上则呈现明显的细胞大小的变异。
细胞质的特征随肿瘤的不同而异。鳞状上皮细胞癌的细胞质较为致密，在角化时更甚（在巴氏染色上呈深红色或橘红色）。腺瘤细胞的胞质一般较为稀疏，细胞的边界不太清晰。有些肿瘤的胞质会有颗粒，如肝细胞肿瘤、甲状腺嗜酸性细胞肿瘤及胰腺的腺泡细胞瘤等。
有些肿瘤细胞的胞质出现空泡或脂质小体的沉积。胞质的空泡常见于腺上皮肿瘤，常常是因胞质内的黏液所致。偶尔细胞变性也可导致空泡的出现。肾上腺上皮细胞肿瘤及肾透明细胞癌的胞质常有脂质小体的沉积。Burkitt淋巴瘤及部分神经内分泌肿瘤胞质也可偶见粗、小的脂质小体沉积。
在某些肿瘤细胞质还可以出现色素沉积。如肝细胞肿瘤的胆汁沉积和黑色素肿瘤的黑色素沉积。
肿瘤细胞特别是恶性肿瘤的细胞会有细胞核明显增大，造成核质比例增高。如细胞核增大而细胞质也很丰富，则有可能是一些反应性变化（如放射或化学疗法）。
一般来说，正常细胞或呈反应性改变的细胞，细胞核核膜较为光滑。肿瘤细胞，特别是恶性肿瘤细胞，细胞核的核膜会变得不光滑，出现皱褶，甚至核内出现假包涵体。核皱褶和假包涵体只是不同程度的核膜不规则的表现。核膜严重不规则时会造成核膜内陷，从而在形态上出现假包涵体的现象。
恶性肿瘤细胞的染色质较粗大，但也有例外。如甲状腺乳头状癌和胰腺导管癌等，染色质较为稀疏，分布均匀，甚至出现透明样改变。
明显的核仁可见于一些肿瘤细胞中。一般来说，腺癌比鳞状上皮细胞癌更常见到明显的核仁。在黑色素细胞癌中也常可见到非常明显的核仁。而一些内分泌肿瘤如类癌或小细胞癌则往往看不到核仁。核仁的大小还作为个别肿瘤如肾透明细胞癌分级的一个指标。
肿瘤细胞还可以有多核的改变。多核肿瘤细胞常见于霍奇金淋巴瘤、黑色素瘤、多发性骨髓瘤及某些分化较差的恶性上皮肿瘤如肺肉瘤样上皮癌及胰腺未分化上皮细胞癌。
核分裂象及凋亡小体可为肿瘤良恶性及细胞增殖活动程度的判断提供帮助。
除了细胞之外，在穿刺的样本中也可以有一些基质成分，这些基质成分的存在有时可以对肿瘤的起源及分类的判断提供帮助。如腮腺混合瘤会有黏液样或软骨样基质的存在，细胞外黏液的存在也有助于腺癌的诊断。甲状腺肿瘤的胶质在穿刺样本中非常多见，其数量和质量会对甲状腺肿块的性质判断有帮助。间质性肿瘤或多或少有基质成分的存在，而血源性肿瘤则无基质。
此外，背景是否有组织细胞坏死是细胞形态学分析中要观察的一项指标。造成坏死的原因很多，可以是炎症感染所致，也可以是肿瘤的坏死，也可两者兼而有之。事实上，一些恶性肿瘤常常会有坏死并伴有炎症细胞的浸润，因而对有坏死及大量炎症细胞的样本，要仔细检查以免造成误诊。