恶性胸膜间皮瘤的病理诊断问题仍有争论。虽然恶性间皮瘤与软组织肉瘤在一起分类，但只有20%组织学上是纯粹的肉瘤。恶性胸膜间皮瘤的33%～50%其组织学上是上皮型或管状和乳头状，而其他30%为上皮和肉瘤混合型，大多数病理学家确信只有肉瘤或混合组织的病人，才能诊断为恶性胸膜间皮瘤。综合特殊染色和电子显微镜检查资料，有经验的病理学家也愿意对上皮型的病人，作出恶性胸膜间皮瘤的诊断。
在恶性间皮瘤早期，肉眼可见在正常或不透明的脏层或壁层胸膜上有众多白色或灰色颗粒和结节或薄板块，随着肿瘤的发展，胸膜表面愈来愈变厚，长满结节，肿瘤结节向四方伸延，连续成片，包囊肺脏使其窖越缩越小并使受累侧胸壁塌陷。在晚期，肿瘤可累及膈肌、肋间肌、纵隔结构、心包及对侧胸膜。尸检病人有50%发现有血源性转移，但临床很少提及。
恶性间皮瘤有两种病理解剖类型：①单个纤维性胸膜间皮瘤。从脏层胸膜生长，平板或肉茎状，肿瘤引起临床症状是由于它们扩大发展，挤压胸内结构使其移位，如能早期诊断，可作手术治疗。②广泛扩散的间皮瘤。此类型侵犯肺叶，浸润膈肌、肋间肌，可通过纵隔胸膜而累及心包和大血管。