肥大細胞（mast cell）較大，呈圓形或卵圓形，胞核小而圓，多位于中央。胞質內充滿異染性顆粒，顆粒易溶于水。電鏡下，顆粒大小不一，圓形或卵圓形，表面有單位膜包裹，內部結構常呈多樣性，在深染的基質內含螺狀或網格狀晶體，或含細粒狀物質。肥大細胞分布很廣，常沿小血管和小淋巴管分布。
肥大細胞與變態反應有密切關系。肥大細胞合成和分泌多種活性介質，包括組胺（histamine）、嗜酸性粒細胞趨化因子（ECF-A）、白三烯（leukotriene）和肝素（heparin）等。組胺、白三烯能使細支氣管平滑肌收縮，使微靜脈及毛細血管擴張，通透性增加。嗜酸性粒細胞趨化因子能吸引嗜酸性粒細胞到變態反應的部位，肝素則有抗凝血作用。組胺、嗜酸性粒細胞趨化因子和肝素等合成后貯存于顆粒內并能迅速釋放。釋放時顆粒合并，形成脫粒管道，開口于細胞表面；白三烯則不在顆粒內貯存，其釋放較組胺等遲緩。
肥大細胞脫顆粒、釋放介質是一種特異性反應。機體受過敏原（如花粉、某些藥物等）的刺激后，漿細胞產生親細胞性抗體IgE。肥大細胞膜表面有IgE受體，當IgE與肥大細胞的IgE受體結合后，機體即對該過敏原呈致敏狀態。當機體再次接觸相同的過敏原時，少量的過敏原便可與肥大細胞上的IgE結合，啟動肥大細胞脫顆粒，釋放介質，引起過敏反應，如在皮膚引起蕁麻疹，在呼吸道引起支氣管哮喘等。
一般認為，肥大細胞的祖細胞來源于骨髓，經血流遷移到結締組織內，發育為肥大細胞。組織內的肥大細胞可分裂增殖，其壽命數天至數月。