肾癌来自肾小管上皮，生长速度一般较慢，但有时可很快，绝大多数有一层纤维包膜包裹，可生长于肾实质的任何部位。质硬，表面血管大多呈扩张。发现时体积大小不一。大多是单个的，少数有多个的。肿瘤可侵入肾实质，也可浸润肾包膜并穿入肾周围脂肪。其切面大多呈淡黄色或橘黄色，生长速度较快的区域呈白色，有出血的区域呈暗红色，含脂质较多的部分呈金黄色并发亮。较大的肿瘤常可见到有坏死区，坏死组织液化后质地呈囊状。有时肿瘤中有血肿。少数肿瘤可见到有不规则散在的钙化区。钙化的是否存在与肿瘤的恶性程度无关。
在显微镜下构成肾癌的主要细胞是透明细胞。这些细胞的核小而染色很深。胞浆透明含有丰富的脂质和糖原。另一类是颗粒细胞(又称暗细胞)，这种细胞的胞浆充满细小的颗粒。80%左右的肿瘤组织由透明细胞或透明细胞和颗粒细胞混合组成。一般认为如颗粒细胞比较活跃，其恶性程度就较透明细胞为高。有时肾癌细胞可形成乳头状，称为乳头状腺癌，细胞核染色较深但分裂相不多，这种肾癌较易出血。此外还可有恶性程度很高的未分化癌。细胞呈梭形，核较大，分裂相很多，呈肉瘤样结构。
肾癌可通过原发肿瘤逐步向邻近组织和器官侵犯而播散，也可通过淋巴管或静脉向外转移。
低度恶性的肿瘤常保持完整的包膜，虽然体积巨大，仍可没有转移。恶性较高的肾癌，虽肉眼看来肿瘤包膜完整，但在显微镜下癌细胞往往已浸润和穿出包膜，随着肿瘤的长大而侵入肾周围脂肪。肾癌的继续向外发展可穿破肾周围筋膜而侵入邻近器官，其中较常见者为结肠。此外，尚可侵入肝、脾、胰腺、肾上腺及横膈等。向内侵入肾盂后常发生血尿，在肾盂造影图上的表现类似肾盂肿瘤。
据统计，有25%左右的肾癌都有淋巴结转移，主要是肾蒂、主动脉及下腔静脉周围的淋巴结(区域淋巴结)。
肾癌有向静脉侵入的倾向。在静脉(肾内静脉、肾静脉及下腔静脉)内形成癌栓，并可通过静脉向远处转移。肾癌的转移可早可晚。少数恶性很高的肾癌在原发肿瘤体积还很小或还没有被发现时已有远处转移。也有些病例在肾癌切除多年之后可出现转移。
