Hai đặc điểm chủ yếu của các tế bào ung thư là tăng sinh không kiểm soát và có khả năng di căn. Kiểu hình ác tính của tế bào là hậu quả cuối cùng của một loạt các biến đổi về gen làm mất cơ chế bảo vệ nhằm ngăn chặn tế bào nhân lên và làm xuất hiện đặc điểm mới cho phép tế bào có thể di căn, bao gồm các receptor bề mặt liên kết với nền màng tế bào, các enzyme to poke holes in anatomic barriers, các cytokin tạo thuận lợi cho di động và các yếu tố tạo mạch tăng sinh tân mạch cung cấp dinh dưỡng và oxy.
Những thay đổi về gen thường liên quan đến các biểu hiện, hoạt động bất thường hoặc tăng lên của các gen nhất định được gọi là gen tiền ung thư (thường gia tăng các yếu tố, receptor, enzyme cần cho sự phát triển hoặc các yếu tố sao chép), xóa hoặc bất hoạt các gen ức chế ung thư và các khuyết tật trong các enzym sửa chữa DNA. Các biến đổi này có thể do đột biến điểm, khuếch đại gen, tái cấu trúc gen, hoặc các biến đổi ngoại sinh như thay đổi methyl hóa gen.
Khi tế bào ác tính, động lực phát triển của chúng cũng tương tự các tế bào nình thường nhưng thiếu sự điều hòa. Vì các nguyên nhân chưa rõ, khối u phát triển theo đường cong Gompertzian: khi khối lượng khối u tăng, các phần của tế bào đang phân chia giảm. Vì vậy, khi khối u đủ lớn để có biểu hiện lâm sàng thì các phần phát triển thường nhỏ. Không may, sự phát triển khối u không dừng lại hoàn toàn trước khi đạt khả năng gây chết. Tế bào ung thư cũng có các giai đoạn của chu kỳ tế bào giống tế bào bình thường:
G1 (thời kỳ chuẩn bị cho tổng hợp DNA), S (tổng hợp DNA), G2 (pha tứ bội trước nguyên phân, trong đó có đánh giá sự toàn vẹn của việc sao chép DNA) và M (nguyên phân). Một số tế bào không có chu kỳ sẽ duy trì trạng thái G0 hoặc nghỉ, pha kéo dài nhiều thời kỳ. Các chất hóa trị nhất định đặc hiệu cho các tế bào trong từng pha nhất định của chu kỳ tế bào.