Glatte Muskulatur enthält spindelförmige Zellen von 50 bis 250 µm Länge und 5 bis 10 µm Durchmesser. Diese Zellen besitzen einen einzigen, zentralen Kern. Den Kern und den größten Teil des Zytoplasmas umgeben die dicken (Myosin) und dünnen (Aktin) Filamente. Es wird angenommen, dass winzige Projektionen, die aus dem Myosin-Filament stammen, Kreuzbrücken sind. Das Verhältnis von Aktin zu Myosin-Filamenten (ungefähr 12 zu 1) ist doppelt so hoch wie bei quergestreiften Muskeln und kann daher eine größere Möglichkeit für eine Querbrücke bieten, Kraft in glatten Muskeln anzubringen und zu erzeugen. Eine erhöhte Wahrscheinlichkeit für die Befestigung kann teilweise für die Fähigkeit der glatten Muskulatur verantwortlich sein, mit weit weniger Myosin eine vergleichbare oder größere Kraft als gestreifte Muskeln zu erzeugen.
Die glatte Muskulatur unterscheidet sich von der quergestreiften Muskulatur dadurch, dass sie keine offensichtliche Organisation der kontraktilen Aktin- und Myosin-Filamente in die diskreten kontraktilen Einheiten, die Sarkomere genannt werden, aufweist. Untersuchungen haben gezeigt, dass eine sarkomerähnliche Struktur dennoch in der glatten Muskulatur vorhanden sein kann. Eine solche sarkomerartige Einheit würde sich aus den Aktinfilamenten zusammensetzen, die an dichten amorphen Körpern im Zytoplasma sowie an dichten Plaques auf der Zellmembran verankert sind. Diese dichten Bereiche bestehen aus dem Protein α-Actinin, das in den Z-Linien des gestreiften Muskels vorkommt und an das bekanntermaßen Aktinfilamente gebunden sind. Somit wird die Kraft, die durch Myosin-Querbrücken erzeugt wird, die an Aktin gebunden sind, durch Aktinfilamente auf dichte Körper und dann durch benachbarte kontraktile Einheiten übertragen, die schließlich auf der Zellmembran enden.
Entspannte glatte Muskelzellen besitzen ein glattes Zellmembranbild, aber bei Kontraktion bilden sich große Membranbläschen (oder Eruptionen) infolge nach innen gerichteter kontraktiler Kräfte, die an diskreten Punkten auf die Muskelmembran ausgeübt werden. Diese Punkte sind vermutlich die dichten Plaques auf der Zellmembran, an die sich die Aktinfilamente anlagern. Wenn sich eine isolierte Zelle verkürzt, geschieht dies auf korkenzieherartige Weise. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass die kontraktilen Proteine in der glatten Muskulatur innerhalb der Muskelzelle helikal ausgerichtet sind, damit sich eine einzelne Zelle auf so einzigartige Weise verkürzen kann. Diese helikale Anordnung stimmt mit früheren Spekulationen überein, dass der kontraktile Apparat in der glatten Muskulatur in leichten Winkeln relativ zur Längsachse der Zelle angeordnet sein kann. Eine solche Anordnung kontraktiler Proteine könnte zu einer langsameren Verkürzungsgeschwindigkeit und einer verbesserten Krafterzeugungsfähigkeit der glatten Muskulatur beitragen.
Die kontraktilen Proteine interagieren, um eine Kraft zu erzeugen, die auf das Gewebe übertragen werden muss, in das die einzelnen glatten Muskelzellen eingebettet sind. Glatte Muskelzellen haben nicht die Sehnen in quergestreiften Muskeln, die die Übertragung von Muskelkraft ermöglichen, um das Skelett zu betreiben. Glatte Muskeln sind jedoch im Allgemeinen in eine dichte Bindegewebsmatrix eingebettet, die die glatten Muskelzellen innerhalb des Gewebes zu einer größeren Funktionseinheit verbindet.
Andere Organellen des Zellinneren stehen im Zusammenhang mit der Energieproduktion und der Kalziumspeicherung. Mitochondrien befinden sich am häufigsten in der Nähe des Zellkerns und an der Peripherie der Zelle. Wie in gestreiften Muskeln sind diese Mitochondrien mit der ATP-Produktion verbunden. Das sarkoplasmatische Retikulum ist an der Speicherung von intrazellulärem Kalzium beteiligt. Wie im gestreiften Muskel spielt dieses intrazelluläre Membransystem eine wichtige Rolle bei der Bestimmung, ob eine Kontraktion auftritt oder nicht, indem die Konzentration von intrazellulärem Kalzium reguliert wird.