组织细胞增殖症包括骨嗜酸性肉芽肿、黄色瘤病和婴儿恶性网络细胞增殖症。脊柱嗜酸性肉芽肿的主要病变是网络组织细胞的广泛增殖，伴有多少不同的嗜酸性粒细胞、各种炎症性细胞和多核巨细胞。一些组织细胞可以转化为泡沫细胞和含有铁血黄素或细胞残留的吞噬细胞。小血管可能有纤维素样坏死，晚期可能有纤维化，组织细胞核大，呈卵圆形、齿轮形或肾形，通常聚集在一起或条状。
黄瘤病的主要病变是组织细胞增生，可见网络细胞、泡沫细胞和Touton类型的巨细胞。泡沫细胞，又称黄细胞，有针状胆固醇结晶，嗜酸性粒细胞不明显，部分部位有肉芽组织，分化差，可有少数核分裂。组织细胞被纤维细胞取代，形成结缔组织，有些在泡沫细胞之间，而不是肉芽组织。
在同一患者，同一处病变在不同时期，病理可以不同，如开始时为以嗜酸性粒细胞为主的组织细胞肉芽肿，但几年后可转变为以泡沫细胞为主的含脂质肉芽肿。因此不能单纯根据泡沫细胞之有无来确诊黄色瘤病，即使在婴儿网织细胞增殖症，偶而也能见到泡沫细胞，只是因为病变发展较快来不及形成，所以显得稀少。
组织细胞增殖症可合并肺内病变，后者也可单独发生，肺内开始为间质性肉芽肿。随后组织细胞侵入小动脉和细支气管远端，发生阻塞性肺气肿，形成囊肿和大泡以致破裂。肺间质性肉芽肿内有许多嗜酸性粒细胞、中性粒细胞及淋巴细胞浸润。
