平滑肌雖然也具有同骨骼肌類似的肌絲結構，但由于它們不存在像骨骼肌那樣平行而有序的排列（平滑肌的肌絲有它自己的“有序的”排列），它的特點是細胞內部存在一個細胞骨架，包含一些卵圓形的稱為致密體的結構，它們也間隔地出現于細胞膜的內側，稱為致密區，并且后者與相鄰細胞的類似結構相對，而且兩層細胞膜也在此處連結甚緊，因而共同組成了一種機械性耦聯，藉以完成細胞間張力的傳遞；細胞間也存在別的連接形式，如縫隙連接，它們可以實現細胞間的電耦聯和化學耦聯。在致密體和致密區中發現有同骨骼肌Z帶中類似的蛋白成分，故認為這兩種結構可能是與細肌絲連接的部位。另外，在致密體和致密區之間還有一種直徑介于粗、細肌絲之間的絲狀物存在，它們是一種稱為結蛋白（desmin）的聚合體。這樣由絲狀物聯結起來的致密體和膜內側的致密區就形成了完整的細胞內構架。
平滑肌細胞中的細肌絲有同骨骼肌類似的分子結構，但不含肌鈣蛋白；同一體積的平滑肌所含肌纖蛋白的量是骨骼肌的2倍，推測平滑肌肌漿中有大量細肌絲存在，它們的排列大致與細胞長軸平行。與此相反，胞漿中肌凝蛋白的量卻只有骨骼肌的1/4。估計連接在致密體上的3～5根細肌絲會被較少數目粗肌絲包繞，形成相互交錯式的排列，這可能就是類似于骨骼肌中肌小節的功能單位。
一般平滑肌細胞呈梭形，直徑2～5μm；其長度可變性很大，大約長度為400μm時是產生張力的最適長度。它們沒有骨骼肌（和心肌）那樣發達的肌管系統。肌細胞膜只有一些縱向排列的袋狀凹入，但其功能尚不清楚，不過這使得細胞膜表面積和細胞體積之比更為加大，因此和肌絲靠近的不是橫管或肌漿網系統，而是肌膜。細胞被激活時，細胞外Ca2+進入膜內，但平滑肌細胞中靠近膜的肌漿網也構成了細胞內Ca2+貯存庫。一些興奮性遞質、激素或藥物同肌膜受體結合時，通過G-蛋白在胞漿中產生第二信使，引起Ca2+庫中的Ca2+釋出。因平滑肌的細肌絲中不存在肌鈣蛋白，因而Ca2+引起平滑肌細胞中粗、細肌絲相互滑行的橫橋循環的機制與骨骼肌不同。橫橋的激活開始于它的磷酸化，而這又依賴一稱為肌凝蛋白激酶的活化；其過程是Ca2+先結合于胞漿中一種稱為鈣調蛋白（calmodulin）的特殊蛋白質，后者結合4個Ca2+之后才使肌凝蛋白激酶活化，使ATP分解，由此產生的磷酸基結合于橫橋并使橫橋處于高自由狀態。比起平滑肌來，平滑肌橫橋激活的機制需要較長的時間，這和平滑肌收縮的緩慢相一致。