La muscolatura liscia contiene cellule a forma di fuso da 50 a 250 µm di lunghezza da 5 a 10 µm di diametro. Queste cellule possiedono un singolo nucleo centrale. Intorno al nucleo e in tutta la maggior parte del citoplasma sono i filamenti spessi (miosina) e sottili (actina). Si ritiene che piccole proiezioni che provengono dal filamento di miosina siano ponti trasversali. Il rapporto tra actina e filamenti di miosina (circa 12 a 1) è il doppio di quello osservato nel muscolo striato e quindi può fornire una maggiore opportunità per un ponte trasversale di attaccare e generare forza nella muscolatura liscia. Una maggiore probabilità di attaccamento può in parte spiegare la capacità della muscolatura liscia di generare, con molta meno miosina, forza paragonabile o maggiore rispetto al muscolo striato.
Il muscolo liscio differisce dal muscolo striato nella sua mancanza di qualsiasi organizzazione apparente dei filamenti contrattili di actina e miosina nelle unità contrattili discrete chiamate sarcomeri. La ricerca ha dimostrato che una struttura simile al sarcomero può comunque esistere nella muscolatura liscia. Tale unità simile al sarcomero sarebbe composta dai filamenti di actina che sono ancorati a corpi amorfi densi nel citoplasma e da placche dense sulla membrana cellulare. Queste aree dense sono composte dalla proteina α-actinina, che si trova nelle linee Z del muscolo striato, a cui sono noti i filamenti di actina. Così, la forza generata dai ponti trasversali della miosina attaccati ad actina è trasmessa attraverso i filamenti dell’actina ai corpi densi ed allora attraverso le unità contrattili vicine, che infine terminano sulla membrana cellulare.
Le cellule muscolari lisce rilassate possiedono un aspetto della membrana cellulare liscia, ma dopo la contrazione, si formano grandi bleb della membrana (o eruzioni) come risultato di forze contrattili dirette verso l’interno che vengono applicate in punti discreti sulla membrana muscolare. Questi punti sono presumibilmente le placche dense sulla membrana cellulare a cui si attaccano i filamenti di actina. Quando una cellula isolata si accorcia, lo fa in modo simile a un cavatappi. È stato ipotizzato che, affinché una singola cellula si accorci in modo così unico, le proteine contrattili della muscolatura liscia siano orientate elicoidalmente all’interno della cellula muscolare. Questa disposizione elicoidale concorda con la precedente speculazione che l’apparato contrattile nella muscolatura liscia può essere disposto a lievi angoli rispetto all’asse lungo della cellula. Tale disposizione di proteine contrattili potrebbe contribuire alla velocità di accorciamento più lenta e ad una maggiore capacità di generazione di forza della muscolatura liscia.
Le proteine contrattili interagiscono per generare una forza che deve essere trasmessa al tessuto in cui sono incorporate le singole cellule muscolari lisce. Le cellule muscolari lisce non hanno i tendini presenti nei muscoli striati che consentono il trasferimento della forza muscolare per far funzionare lo scheletro. I muscoli lisci, tuttavia, sono generalmente incorporati in una matrice di tessuto connettivo denso che collega le cellule muscolari lisce all’interno del tessuto in un’unità funzionale più grande.
Altri organelli dell’interno cellulare sono legati alla produzione di energia e allo stoccaggio del calcio. I mitocondri si trovano più frequentemente vicino al nucleo cellulare e alla periferia della cellula. Come nei muscoli striati, questi mitocondri sono legati alla produzione di ATP. Il reticolo sarcoplasmatico è coinvolto nello stoccaggio del calcio intracellulare. Come nel muscolo striato, questo sistema di membrana intracellulare svolge un ruolo importante nel determinare se la contrazione si verifica o meno regolando la concentrazione di calcio intracellulare.