甲状腺未分化癌又称间变性癌。大体：肿瘤包膜不完整，周边组织有侵及。切面灰白、灰红色或棕褐色，鱼肉样，出血、坏死常见。侵及周围软组织、喉、气管、大血管等，多数病例有颈部淋巴结转移。显微镜下：癌细胞的形态和大小均不一致，呈梭形、圆形或卵圆形，并见瘤巨细胞。以梭形细胞为主区，似纤维肉瘤。胶原纤维形成较多时，可见车辐状结构，加之炎细胞浸润，显示瘤性纤维组织瘤样图像。当粘液样区存在且较丰富时，类似恶性纤维组织细胞瘤的粘液样型。主要由巨细胞构成的瘤组织区域似多形性平滑肌肉瘤或横纹肌肉瘤，此时的巨细胞大且畸形，可有1-5个核，深染、异型性明显、胞浆丰富，个别呈同奇异细胞的图像。有时见破骨样多核细胞，其核可多达百余，但不显示恶性特征，破骨细胞样细胞可能是组织细胞对肿瘤组织的反应性增生。少数病例以圆形或卵圆形细胞为主，呈片状结构，有时瘤组织中出现鳞状细胞癌灶，但无角化珠形成。个别病例见血管样裂隙，似血管肉瘤。有软骨和骨质形成者似骨肉瘤或软骨肉瘤。有些见灶状乳头状癌成分。肿瘤细胞也可呈嗜碱性改变。坏死常见且较广泛，有时仅在血管周围见到存活的瘤组织，常伴中性粒细胞浸润。肿瘤常侵犯甲状腺周围脂肪组织、肌肉组织、脉管以及邻近器官，如喉、气管和食管。在静脉和动脉血管侵犯时取代血管内皮细胞是一特征。根据细胞形态及组织构型可将未分化癌分为巨细胞型、梭形细胞型、混合型及小细胞型等四型。巨细胞型的特征是大量瘤巨细胞的存在。瘤巨细胞常呈怪异的形态，核染色质多，胞浆丰富，呈嗜双色或颗粒状，有的具深伊红染色浆，有的在胞浆内见圆形、嗜伊红染、不同大小的玻璃样小体。瘤巨细胞可以本型的唯一成分，但常伴有核的形态与瘤巨细胞相似的单核瘤细胞。瘤细胞常排列成呈实性细胞团，偶尔形成梁状或鳞状上皮样结构。在瘤组织中常见散在炎细胞浸润，当有大量中性粒细胞时，巨细胞可吞噬中性粒细胞，此时易误为炎性恶性纤维组织细胞瘤。在有些病例，上皮样成分常与梭形细胞束交错存在，形成肉瘤样亚型。梭形细胞型是由梭形细胞构成类似于肉瘤样结构，单纯从形态的角度，与梭形细胞肉瘤难以区分。有些病例细胞核呈明显的多形性，内见散在的瘤巨细胞，车辐状生长形式，再加上炎细胞的浸润，类似恶性纤维组织细胞瘤的图像。通常本型血管形成较显著，有时血管分支呈鹿角样，类似于血管外皮瘤。此种图像或由衬有瘤细胞的间隙所造成，或是在坏死区域或玻璃样变区血管结构特别突出所致。混合型是指肿瘤由巨细胞和梭形细胞两种细胞成分构成，且比例相当。在以一种成分为主时，按优势原则归类。小细胞型是一具尚有争议的未分化癌类型。诊断甲状腺未分化癌时应注意与肉瘤、弥漫性大细胞型恶性淋巴瘤、髓样癌的梭形细胞型、岛状癌、乳头状癌的实性型、转移癌及鳞状细胞癌等相鉴别。