El músculo liso contiene células en forma de huso de 50 a 250 µm de longitud por 5 a 10 µm de diámetro. Estas células poseen un único núcleo central. Alrededor del núcleo y a lo largo de la mayor parte del citoplasma se encuentran los filamentos gruesos (miosina) y finos (actina). Se cree que las pequeñas proyecciones que se originan en el filamento de miosina son puentes cruzados. La proporción de actina y filamentos de miosina (aproximadamente 12 a 1) es el doble de la observada en el músculo estriado y, por lo tanto, puede proporcionar una mayor oportunidad para que un puente transversal se adhiera y genere fuerza en el músculo liso. Una mayor probabilidad de apego puede en parte explicar la capacidad del músculo liso para generar, con mucha menos miosina, una fuerza comparable o mayor que el músculo estriado.
El músculo liso difiere del músculo estriado en su falta de organización aparente de los filamentos contráctiles de actina y miosina en unidades contráctiles discretas llamadas sarcómeros. La investigación ha demostrado que, sin embargo, puede existir una estructura similar a un sarcómero en el músculo liso. Tal unidad similar a un sarcómero estaría compuesta por los filamentos de actina que están anclados a cuerpos amorfos densos en el citoplasma, así como por placas densas en la membrana celular. Estas áreas densas están compuestas por la proteína α-actinina, que se encuentra en las líneas Z del músculo estriado, a la que se sabe que están unidos los filamentos de actina. Por lo tanto, la fuerza generada por los puentes cruzados de miosina unidos a la actina se transmite a través de los filamentos de actina a los cuerpos densos y luego a través de las unidades contráctiles vecinas, que finalmente terminan en la membrana celular.
Las células musculares lisas relajadas poseen una apariencia de membrana celular lisa, pero al contraerse, se forman grandes burbujas de membrana (o erupciones) como resultado de fuerzas contráctiles dirigidas internamente que se aplican en puntos discretos de la membrana muscular. Estos puntos son presumiblemente las placas densas en la membrana celular a la que se unen los filamentos de actina. A medida que una célula aislada se acorta, lo hace de una manera similar al corchete. Se ha hipotetizado que, para que una sola célula se acorte de una manera tan única, las proteínas contráctiles en el músculo liso están orientadas helicoidalmente dentro de la célula muscular. Esta disposición helicoidal está de acuerdo con la especulación anterior de que el aparato contráctil en el músculo liso puede estar dispuesto en ángulos leves en relación con el eje largo de la célula. Tal disposición de proteínas contráctiles podría contribuir a la velocidad de acortamiento más lenta y a la capacidad de generación de fuerza mejorada del músculo liso.
Las proteínas contráctiles interactúan para generar una fuerza que debe transmitirse al tejido en el que están incrustadas las células individuales del músculo liso. Las células musculares lisas no tienen los tendones presentes en los músculos estriados que permiten la transferencia de fuerza muscular para operar el esqueleto. Los músculos lisos, sin embargo, generalmente están incrustados en una matriz de tejido conectivo densa que conecta las células musculares lisas dentro del tejido en una unidad funcional más grande.
Otros orgánulos del interior de la célula están relacionados con la producción de energía y el almacenamiento de calcio. Las mitocondrias se localizan con mayor frecuencia cerca del núcleo celular y en la periferia de la célula. Al igual que en los músculos estriados, estas mitocondrias están vinculadas a la producción de ATP. El retículo sarcoplásmico está involucrado en el almacenamiento de calcio intracelular. Al igual que en el músculo estriado, este sistema de membrana intracelular juega un papel importante en la determinación de si se produce o no contracción regulando la concentración de calcio intracelular.