Le muscle lisse contient des cellules en forme de fuseau de 50 à 250 µm de longueur sur 5 à 10 µm de diamètre. Ces cellules possèdent un seul noyau central. Autour du noyau et dans la majeure partie du cytoplasme se trouvent les filaments épais (myosine) et minces (actine). On pense que de minuscules projections provenant du filament de myosine sont des ponts croisés. Le rapport entre les filaments d’actine et de myosine (environ 12 à 1) est le double de celui observé dans le muscle strié et peut donc offrir une plus grande opportunité à un pont transversal de s’attacher et de générer de la force dans le muscle lisse. Une probabilité accrue d’attachement peut expliquer en partie la capacité du muscle lisse à générer, avec beaucoup moins de myosine, une force comparable ou supérieure à celle du muscle strié.
Le muscle lisse diffère du muscle strié par l’absence de toute organisation apparente des filaments contractiles d’actine et de myosine en unités contractiles discrètes appelées sarcomères. La recherche a montré qu’une structure ressemblant à un sarcomère peut néanmoins exister dans le muscle lisse. Une telle unité ressemblant à un sarcomère serait composée des filaments d’actine qui sont ancrés à des corps amorphes denses dans le cytoplasme ainsi que des plaques denses sur la membrane cellulaire. Ces zones denses sont composées de la protéine α-actinine, présente dans les lignes Z du muscle strié, à laquelle les filaments d’actine sont connus pour être attachés. Ainsi, la force générée par les ponts croisés de la myosine attachés à l’actine est transmise à travers les filaments d’actine aux corps denses, puis à travers les unités contractiles voisines, qui finissent par se terminer sur la membrane cellulaire.
Les cellules musculaires lisses détendues possèdent une apparence de membrane cellulaire lisse, mais lors de la contraction, de grands blébs membranaires (ou éruptions) se forment à la suite de forces contractiles dirigées vers l’intérieur qui sont appliquées à des points discrets de la membrane musculaire. Ces points sont vraisemblablement les plaques denses de la membrane cellulaire auxquelles se fixent les filaments d’actine. Comme une cellule isolée raccourcit, elle le fait de manière tire-bouchon. On a émis l’hypothèse que, pour qu’une seule cellule se raccourcisse d’une manière aussi unique, les protéines contractiles du muscle lisse sont orientées en hélice à l’intérieur de la cellule musculaire. Cette disposition hélicoïdale est en accord avec les spéculations antérieures selon lesquelles l’appareil contractile dans le muscle lisse peut être disposé selon de légers angles par rapport au grand axe de la cellule. Une telle disposition des protéines contractiles pourrait contribuer à la vitesse de raccourcissement plus lente et à la capacité accrue de génération de force du muscle lisse.
Les protéines contractiles interagissent pour générer une force qui doit être transmise au tissu dans lequel les cellules musculaires lisses individuelles sont intégrées. Les cellules musculaires lisses n’ont pas les tendons présents dans les muscles striés qui permettent le transfert de la force musculaire pour opérer le squelette. Les muscles lisses, cependant, sont généralement intégrés dans une matrice de tissu conjonctif dense qui relie les cellules musculaires lisses à l’intérieur du tissu en une unité fonctionnelle plus grande.
D’autres organites de l’intérieur des cellules sont liés à la production d’énergie et au stockage du calcium. Les mitochondries sont situées le plus souvent près du noyau cellulaire et à la périphérie de la cellule. Comme dans les muscles striés, ces mitochondries sont liées à la production d’ATP. Le réticulum sarcoplasmique est impliqué dans le stockage du calcium intracellulaire. Comme dans le muscle strié, ce système membranaire intracellulaire joue un rôle important dans la détermination de la contraction ou non en régulant la concentration de calcium intracellulaire.