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骨组织内有3种固有的细胞成分，分别是成骨细胞、骨细胞和破骨细胞，共同构成骨细胞系。这3种细胞功能的正常表达，是赋予生理骨量和维持骨结构的基础。成骨细胞和破骨细胞均来源于骨外膜内层和骨内膜中的原始间叶组织细胞，这些间叶组织细胞是具备骨分化潜能的生骨细胞，生骨细胞和成骨细胞在一定条件下可以相互转化，在骨吸收的过程中释放出的骨细胞有时也可转化为成骨细胞。同样，成骨细胞和破骨细胞在某些条件下亦可以相互转化。
骨细胞（osteocyte）是人体骨骼中最主要的细胞，在成年人体的骨组织中，骨细胞的含量约占总量的90%以上。骨细胞存在于骨骼内部的骨基质中，要经历幼稚、成熟和老化三个阶段。骨细胞呈梭形或类圆形，位于骨基质形成的骨陷窝中，每个骨细胞都具有大量向外延伸的突触，而这些突触均位于骨基质构成的骨小管中。通过突触结构，骨细胞可以与骨表面的细胞或周围的其他骨细胞进行接触和沟通。骨陷窝-骨小管系统的存在，为骨细胞的某些特定作用奠定了解剖学基础。
一般认为，骨细胞起源于成骨细胞，在骨形成的终末阶段，成骨细胞将有3种不同的状态和去向：①一部分成骨细胞分化为骨细胞；②转移至骨表面，暂时不活动，保持较为稳定的状态；③启动细胞凋亡程序。在骨形成的过程中，有一部分成骨细胞被保留在矿化的骨基质中，形成早期的骨细胞，即骨样骨细胞。在此过程中，骨样骨细胞可以发出大量突触，延伸至骨表面和血管附近，与成骨细胞、内皮细胞和破骨细胞发生广泛的联系。研究发现，骨细胞的形成是一个主动长入的过程，需要清除骨基质中的胶原纤维或其他基质成分。
成熟的骨细胞体积较小，呈长形，其所在的骨小管系统同时与骨髓内和骨外膜中的毛细血管相通，以保障骨细胞的营养和骨陷窝内组织液的交换。成熟骨细胞的代谢活动一般较为活跃，如在较高水平的PTH作用下，骨细胞可使骨质溶解，骨陷窝先失去骨盐，继而骨胶原逐渐溶解，剩余少量无定形基质，骨陷窝呈现不规则形态，腔隙随之逐渐扩大，这便成为骨细胞型溶骨。反之，在较高水平降钙素的作用下，成熟骨细胞又可以进行继发性骨形成，骨陷窝周围的基质成分逐渐增加，钙盐不断沉积，称为骨细胞性成骨。正常人体中，骨细胞性成骨和骨细胞性溶骨相互不断交替，处于动态平衡当中。
较为成熟的骨细胞也位于钙化细胞间质陷窝内，呈椭圆形，体积介于成熟和幼稚骨细胞的中间。老化的骨细胞出现核固缩，但在降钙素等的作用下，仍可恢复为原来的成熟状态。与成熟的骨细胞相比，幼稚骨细胞仍然保留部分成骨细胞的特点，体积较大，且具有大量核糖体、发达的内质网和高尔基体，因此能合成大量蛋白质和黏多糖。此阶段的骨细胞具有产生骨基质的能力，可使原本较大的骨陷窝逐渐变小，当骨基质钙化后，幼稚骨细胞逐渐失去生成基质的能力，开始逐渐转化为成熟骨细胞。
在生长活跃的骨组织内共存在四种不同状态的细胞成分，分别为前成骨细胞（又称骨祖细胞）、成骨细胞、骨细胞和破骨细胞。成骨细胞是骨骼形成和生长发育中起重要作用的细胞，其祖细胞起源于原始间充质，且可以在多种已分化的结缔组织中找到。成骨细胞最主要的功能是合成类骨质和非胶原蛋白，活跃的成骨细胞因其具有典型蛋白质合成结构，如线粒体、内质网和高尔基体等，这可与其他类型的骨细胞相区别。成骨细胞内富含碱性磷酸酶，可分泌多种功能性蛋白，如Ⅰ型胶原、骨钙素、骨桥蛋白等。
成骨细胞是不均一性、多相细胞群，细胞常处于不同分化阶段，每个阶段的表型亦不同，目前尚缺乏成骨细胞不同分化阶段的特异性标志物。Ⅰ型胶原分子由α 1 和α 2 两条肽链分子间头尾相距、有序排列而形成的洞带，是矿物质沉积、扩大以及钙化的始发场所。一般当成骨细胞周围形成的胶原纤丝达到约15μm时，矿化便开始启动，且在24h内就可完成3/4，由于碱性磷酸酶和骨钙素对钙离子与羟基磷灰石的强亲和力和通过增加局部磷酸根离子浓度及将磷酸根和钙离子转运至骨基质附近的特性，而启动并加速骨基质钙化，骨桥蛋白和骨延蛋白等有利于钙盐沉积的物质在这一过程中起到协同作用。骨基质陷窝中成骨细胞的主要结局是转化为骨细胞。
破骨细胞起源于造血细胞系的单核前体细胞，通过融合形成一种直径在20~100μm的多核巨细胞。破骨细胞的核一般为15~20个，也有的可达数十个之多。细胞核的形态与成骨细胞、骨细胞大致相似，一般为卵圆形，每个核可有1或2个核仁。破骨细胞的胞浆内含有丰富的线粒体、溶酶体、高尔基体和核糖体等细胞器，细胞可有伪足或突起，形态通常不规则。破骨细胞是一种特异性分化的巨噬细胞，由巨噬细胞克隆刺激因子（macrophage colony stimulating factor，M-CSF）和RANKL等刺激分化而产生。在前体破骨细胞内，M-CSF与其受体结合，为细胞增殖提供必要信号；RANK与RANKL结合，引发前体破骨细胞向成熟破骨细胞分化。目前认为，OPG/RANKL/RANK是诱导破骨细胞分化的重要信号转导途径。
骨基质包括无机物和有机物两部分，其中无机物占骨组织干重的65%~75%，主要包含固体钙和磷，组成一种结晶度较差的羟基磷灰石，这是破骨细胞识别骨组织的重要成分。破骨细胞与骨组织结合后，细胞骨架发生重组，细胞开始出现明显极化现象，这是破骨细胞发挥骨溶解作用的关键。以往多认为，骨基质的成分是破骨细胞识别、极化及发挥溶骨作用中必不可少的因素。而近年来的研究发现，破骨细胞的识别并不一定需要骨基质的参与，只有在存在血清时破骨细胞才能固定在骨基质上，这便提示破骨细胞功能激活的过程中可能存在某种分子机制的参与。
近期研究显示，玻连蛋白与其受体αvβ3是破骨细胞识别骨组织的重要因素，破骨细胞并不是直接识别骨基质，而很可能是通过识别玻连蛋白来辨别骨基质。此外，有报道称多种整合素均与骨吸收作用密切相关。在破骨细胞与骨基质接触后，可介导微丝而形成足突小体，这些微丝处于持续变化更新的动态平衡中，对细胞功能的维持起到重要作用。足突小体由F-actin组成的圆柱状核心和其他微丝相关蛋白组成。整合素通过招募多种蛋白，激活整合素信号通路，引起细胞骨架的重排，使破骨细胞发生极化。这些微丝相关蛋白对调控微丝引起的细胞极化和破骨细胞功能的发挥有着密切联系，已经成为破骨细胞调控领域研究的热点。破骨细胞吸收骨基质时，极化的细胞膜可分为4个区域，即密封区、褶皱缘区、游离膜区和功能分泌区，它们分工协作，共同完成溶骨过程。褶皱缘区是分泌囊泡运送到密封区内的细胞膜上与其融合后形成的特殊区域，是破骨细胞的溶骨器官，它与骨基质之间的微环境发生酸化，是启动酶降解骨基质所必需的条件。破骨细胞降解骨质后产生大量胶原片段和钙、磷等，这些物质的积累会对细胞产生毒性，破骨细胞可以通过内吞作用将它们吸收到细胞内，经过蛋白酶的处理后释放，从而促进破骨细胞的骨吸收功能。
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