惡性黑素瘤的典型病理特征是在真皮表皮交界處不不典型的黑素細胞增生，且瘤細胞侵犯表皮和真皮。瘤細胞呈雙相分化，上皮細胞型與梭形細胞型。細胞核呈顯著異形性，核形怪異。還可見單核、雙核或多核，常見核分裂象。
惡黑的組織病理形態因不同類型而不盡相同。
1、惡性雀斑樣痣黑素瘤 表皮萎縮，基底層有較多不典型黑素細胞，并向下侵襲真皮，瘤細胞內或細胞間質中噬色素細胞含有相當多的黑素。
2、淺表擴散性黑素瘤 表皮突向下不規則增生，真皮表皮交界處和真皮內可見不典型的痣細胞巢，除上皮細胞型與梭形細胞型的黑素細胞外，有時表皮上部還可見少數paget樣黑素細胞。真皮炎癥細胞浸潤明顯。
3、結節性黑素瘤 不典型黑素細胞垂直向下增生侵入真皮，而不向表皮侵犯。上皮細胞型的黑色素細胞常排成腺泡狀；梭形細胞型則類似成纖維細胞，有時作束狀排列。
4、肢端雀斑樣痣黑素瘤 表皮增厚，含大量色素的不典型黑素細胞巢位于表皮下部，常見梭形黑素細胞。表皮上部也可見paget樣的黑素細胞，真皮乳頭可見噬色素細胞。
無黑素性惡性黑素瘤的細胞形態結構具備惡黑特點，HE染色中無明顯黑素，用多巴（Dopa）試驗可呈陽性反應，銀染色可顯示少量黑素。
對惡黑的組織學診斷除了確診、分型外，還應觀察其侵襲程度，瘤細胞侵犯愈深則預后愈差。通常采用Clork深度和Breslow厚度兩個主要參數來表示。
（1）Clork分級 Ⅰ級：瘤細胞限于表皮內；Ⅱ級：侵入真皮乳頭；Ⅲ級：充滿真皮乳頭；Ⅳ級：侵入真皮網狀層；Ⅴ級：侵入皮下脂肪層。從Ⅰ級到Ⅴ級的5年存活率依次為99%，95%，90%，65%和25%。
（2）Breslow測定法是用目鏡測微器測量腫瘤厚度。腫瘤厚度與患者5年存活率的關系為：厚度小于0.85mm為98%；0.8～1.69mm為90%；1.7～3.59mm為70%；大于3.6mm為45%。