正常膀胱尿路上皮为移行上皮，通常有3～7层细胞构成。正常情况下，上皮细胞表面覆盖着伞状细胞，这些细胞常常呈双核或多核状态。细胞的大小和形状会随着膀胱的扩张程度而发生变化。在深部黏膜中，细胞通常呈现出圆形、椭圆形、长形或柱状，这些细胞包埋在纤维基底膜上，这样的结构使得细胞之间可以滑动。当尿路移行上皮对炎症、慢性刺激或致癌物产生反应时，会发生增生性变化，包括增生和化生。其中，90%以上的膀胱癌为移行细胞癌，其生长模式多样，包括乳头状、无蒂浸润、结节状以及上皮内生长。移行细胞癌具有较大的间变潜能，可能会含有梭状细胞、鳞状上皮细胞和腺上皮细胞等成分，大约有1/3的膀胱癌会包含这些成分。移行细胞癌最常发生在膀胱三角区基底部和侧壁，但膀胱任何部位都可能发展出移行细胞癌。大约70%的膀胱癌表现为乳头状，10%为结节状，20%为混合型。
根据肿瘤细胞的分化程度，膀胱癌分为Ⅰ级、Ⅱ级和Ⅲ级。Ⅰ级癌的瘤细胞分化良好，移行上皮层次多于7层，细胞表现出轻度间变和多形性，从基底到表层细胞的成熟过程轻微紊乱，有丝分裂现象偶见。Ⅱ级癌的瘤细胞从基底层到表层的成熟过程高度紊乱，极向丧失，核胞质比例显著增大，伴有核多形性，有丝分裂现象较常见。Ⅲ级癌为低分化型，核多形性显著，有丝分裂现象多见，瘤细胞与正常移行上皮几乎无相似之处。
膀胱癌的扩散途径包括在原发部位直接浸润蔓延或通过淋巴、血行及种植转移到其他部位。直接扩散表现为肿瘤穿透整个膀胱壁，延伸到膀胱周围脂肪与盆壁粘连形成固定肿块，或蔓延到顶部腹膜，甚至直接扩散至邻近器官。淋巴结转移和血行转移较为常见，多为盆腔淋巴结转移，远处转移在晚期膀胱癌中较为常见，常见转移部位包括肝、肺、骨、肾上腺、结直肠等。种植性转移罕见，可能发生在开放手术后的腹壁切口或经尿道切除术后损伤的膀胱颈、前列腺以及尿道。肿瘤的扩散途径还包括淋巴结转移和远处转移，TNM分期系统用于描述膀胱移行细胞癌的扩散情况，详细描述了原发肿瘤、淋巴结转移和远处转移的评估。TNM分期从T0到T4描述了肿瘤在膀胱内的扩散程度，从N0到N3描述了淋巴结转移的情况，而M0到M1则描述了远处转移的状况。
膀胱移行细胞癌是泌尿系统最常见的肿瘤，占男性肿瘤的6%，死亡率的2.5%，病因尚不完全清楚，但与环境、吸烟及遗传因素有关。膀胱移行细胞癌高发年龄为40岁以上，表浅的乳头状肿瘤约占80%，30%为多发肿瘤分化不良的浸润性膀胱癌常发生在高龄病例。移行上皮细胞癌(transitional cell carcinoma)占94%，其次为腺癌(adenocarcinoma)和鳞癌(squamous cell carcinoma)。