细胞动力学
增殖时间是一个休眠细胞完成细胞分裂周期产生两个子细胞的时间。恶性细胞，尤其是来源于骨髓或淋巴系统的，增殖时间短，处于G0期（静息期）的细胞比例少。肿瘤最初以指数方式生长，随着细胞死亡和子细胞产生的速度达到平衡时，肿瘤生长进入平台期。肿瘤生长速度减慢可能与肿瘤迅速扩张所需要的营养和O2耗竭有关。体积小的肿瘤比体积大的肿瘤中活跃的分裂细胞比例更多。
通过对细胞表面蛋白的识别，发现许多肿瘤的亚群具有原始的“正常”干细胞的特性，亦见于胚胎早期。因此，这些细胞能够进入增殖期，它们不易受药物或放射损伤。有人认为，在手术、化学或放疗后，它们可再增殖形成肿瘤。
对于某些特定的肿瘤，细胞动力学是制定抗肿瘤方案的一个重要的参考因素，会影响给药的剂量、方式以及治疗的间隔时间。许多抗肿瘤药物，如抗代谢药物，对分裂活跃的细胞最为有效。有些药物只作用于细胞周期的特定阶段，因此，需要持续给药以杀伤最敏感的分裂期细胞。
肿瘤生长和转移
肿瘤生长时，营养是从循环系统的直接扩散中获得的。肿瘤的局部生长需要利用酶（如蛋白酶）以破坏邻近的组织。随着体积的增大，肿瘤产生血管生长因子如血管内皮生长因子（VEGF），促进肿瘤进一步生长所需要的血管形成。
肿瘤细胞一旦产生就会脱落，进入血液循环。根据动物模型据估计，1厘米的肿瘤每24小时有100万个细胞脱落到静脉循环。许多晚期癌症患者存在循环肿瘤细胞，甚至一些局限期的患者体内也有。尽管大多数循环肿瘤细胞会在血管内死亡，也有个别肿瘤细胞黏附于血管内皮，并穿透进入周围组织，在远处形成孤立的肿瘤（转移）。转移性肿瘤和原发肿瘤几乎是以相同的方式生长，继而会发生其他转移。
实验表明，侵袭、迁移、种植并促进新生血管生长是转移性细胞的重要特性，可能是原发肿瘤的一个细胞亚群。
分子生物学异常
基因突变导致了癌细胞的产生，存在于所有癌症中。这些突变改变了调节细胞生长、分裂和DNA修复的蛋白的数量和功能。突变基因的两大类是癌基因和抑癌基因。
癌基因
癌基因是调节细胞生长的各个方面的正常基因（原癌基因）的异常形式。这些基因的突变会直接并持续地刺激各种通路（如细胞表面生长因子受体、细胞内信号转导通路、转录因子和分泌生长因子），调控细胞生长、分裂、DNA修复、血管形成及其他生理过程。
已知与人类肿瘤形成相关的癌基因超过100个。例如，RAS基因编码的ras蛋白能够将膜结合受体的信号经RAS-MAPK通路下传到细胞核，从而调节细胞分裂。基因突变会使ras蛋白异常活化，导致细胞的生长失控。事实上，在25％的人类肿瘤中，ras蛋白有异常。与某些特定的肿瘤相关的其他癌基因包括
- HER2-NEU （在乳腺癌中有扩增，但没有突变）
- BCR-ABL（2个基因的易位引起慢性髓白血病和一些急性B淋巴细胞性白血病）
- C-MYC（伯基特淋巴瘤）
- N-MYC（小细胞肺癌和神经母细胞瘤）
- EGFR突变(肺腺癌)
- EML4-ALK （一种易位，激活ALK酪氨酸激酶，产生特殊的肺腺癌）
有些特别的癌基因对肿瘤的诊断、治疗和预后都具有的重要意义（详见特殊类型的肿瘤各论）。
癌基因通常是由获得性的体细胞突变引起的，通过点突变（如化学致癌物所致）、基因扩增（如正常基因拷贝数增加）或易位（不同基因片段融合形成一个独特的序列）。这些变化可以增加基因产物（蛋白质）的活性或者改变其功能。有时，基因突变可导致肿瘤的遗传易感性，如BRCA1、BRCA2或p53基因突变和功能缺失与遗传性癌症综合征有关。
抑癌基因
p53这样的基因在正常细胞的分裂和DNA修复中发挥作用，对于监测细胞生长的异常信号或DNA损伤至关重要。如果这些基因发生遗传性或获得性突变而失去功能，会导致监测DNA整合的系统失效，自发性基因突变的细胞持续存在并增殖，继而形成肿瘤。
与大多数基因一样，每个抑癌基因都是由2个等位基因编码的。一个基因的缺陷可能是遗传的，为单个肿瘤抑癌基因仅保留一个功能等位基因。如果另一个等位基因发生获得性突变，那么第2个抑癌基因就失去了正常保护机制。例如，视网膜母细胞瘤(RB) 基因编码蛋白Rb，通过中止DNA复制来调节细胞周期。许多人类肿瘤的RB基因家族都会发生突变，使细胞连续分裂。
另一个重要的调节蛋白p53可阻止正常细胞中的受损DNA修复，促进DNA异常的细胞死亡（凋亡）。失活或突变的p53使DNA异常的细胞存活和分裂。突变遗传给子细胞，使DNA发生错误复制的可能性增加，最终形成肿瘤。在许多人类肿瘤中，p53基因有缺陷。像癌基因一样，在生殖细胞系中，p53或RB等这些抑癌基因突变可能导致垂直传递，增加后代的肿瘤发病率。
染色体异常
染色体通过缺失、异位或重排可发生明显的异常。如果这些改变激活或抑制基因，细胞出现异常增殖，肿瘤随之发生。染色体异常见于大多数人类肿瘤。在一些遗传性疾病中（布鲁姆综合征、范可尼贫血和唐氏综合征），DNA修复过程存在缺陷，染色体断裂频发，这些患儿发生急性白血病和淋巴瘤的风险非常高。
其他影响因素
大多数上皮癌可能是一系列突变导致肿瘤转化的结果。例如，家族性息肉病通过一系列基因改变发生肿瘤：上皮细胞过度增殖（5号染色体上抑癌基因的缺失）、早期腺瘤（DNA甲基化的改变）、中期腺瘤（RAS癌基因的过度活跃）、后期腺瘤（18号染色体上抑癌基因的缺失），最终形成癌（17号染色体上某个基因的缺失）。肿瘤的转移可能需要进一步的基因改变。
端粒是一种核蛋白复合体，位于染色体末端，保持其完整性。在正常组织中，端粒的缩短（随着年龄增长而发生）是细胞分裂产生一定的限制。在肿瘤细胞中，如果端粒酶被激活，新的端粒合成，肿瘤就会不断增殖。
环境因素
感染
病毒与人类恶性肿瘤的发病机制有关，可能通过将病毒基因整合到宿主DNA中而发病。宿主表达的这些新基因可影响细胞的生长、分裂，或破坏细胞生长、分裂所需的正常宿主基因。此外，病毒感染可导致免疫功能紊乱，降低对早期肿瘤的免疫监视。
细菌也会诱发肿瘤。幽门螺旋杆菌感染会增加一些肿瘤的风险（胃腺癌、胃淋巴瘤和粘膜相关淋巴组织[MALT]淋巴瘤）。
某些寄生虫会致癌。埃及血吸虫（Schistosoma haematobium）会引起膀胱的慢性炎症和纤维化，可能会致癌。华支睾吸虫（Opisthorchis sinensis）与胰腺癌和胆管癌有关。
辐射
紫外线辐射可通过破坏DNA诱发皮肤癌（如基底细胞癌、鳞状细胞癌和黑色素瘤）。DNA损伤包括胸腺嘧啶二聚体的形成，由于DNA修复本身的缺损（如着色性干皮病）或一些罕见的随机事件，可以避免对正常DNA链的剪切和重新合成。
离子辐射也会致癌。例如，广岛和长崎原子弹爆炸的幸存者中，白血病和其他癌症的发生率高于预期。在放射治疗数年后，同样可发生白血病、乳腺癌和其它实体瘤。有人认为，影像诊断中使用的X线也会增加癌症的风险。工业暴露（如矿工接触的铀、石棉）与肺癌的发生有关，有15~20年的潜伏期。长期的职业性辐射或接触室内沉积的二氧化钍，容易使人患血管肉瘤和急性非淋巴细胞性白血病。
暴露于土壤释放的放射性气体氡会增加肺癌的风险。通常，氡会迅速消散到大气中，不会造成任何伤害。然而，建筑物建于氡含量高的土壤时，氡可在楼内积聚，有时在空气中产生足够高的浓度，会造成伤害。吸烟者暴露于氡，肺癌的风险进一步增加。
药物和化学品
口服避孕药中的 雌激素略微增加乳腺癌的风险，但这种风险会随时间的推移而降低。用于激素替代治疗的 雌激素和孕激素也会增加乳腺癌的风险。己烯雌酚（DES）增加服药女性乳腺癌的风险，这些妇女在分娩前服药的话，她们女儿的阴道癌风险增加。长期使用合成类固醇增加肝癌的风险。单纯化疗或联合放疗增加发生第二肿瘤的风险。
化学致癌物会诱发基因突变，使细胞生长不受控制而形成肿瘤（见 常见的化学致癌物）。其他一些物质，也称为共致癌物，本身没有或者仅有极小的致癌潜能，但是，当这些物质和其他药物同时暴露时，致癌作用可增强。
饮食
食物中含有的某些物质会增加恶性肿瘤的风险。例如，高脂饮食和肥胖可增加结肠癌和乳腺癌的风险，前列腺癌也有可能。大量饮酒者，发生头颈部和食管癌的风险更大。大量摄入烟熏和腌制的食品或烤肉，发生胃癌的风险增加。超重或肥胖者，发生乳腺癌、子宫内膜癌、结肠癌、肾癌和食道癌的风险增加。
物理因素
皮肤、肺、胃肠道或甲状腺的慢性炎症容易引发癌症。例如，长期炎症性肠病（溃疡性结肠炎）的患者发生结直肠癌的风险增加。日光和紫外线曝晒增加皮肤癌和黑色素瘤的风险。
免疫功能紊乱
由于遗传性基因突变、获得性疾病、衰老引起的免疫系统功能紊乱或免疫抑制剂，干扰了对早期肿瘤的正常免疫监视，使肿瘤的发生率增加。已知的肿瘤相关性免疫疾病包括
- 共济失调-毛细血管扩张症（急性淋巴细胞性白血病[ALL]、脑肿瘤和胃癌）威斯科特—奥尔德里奇综合征（淋巴瘤和ALL）
- X连锁无丙球蛋白血症（淋巴瘤和ALL）
- 免疫抑制剂或HIV感染引起的免疫缺陷（大细胞淋巴瘤、宫颈癌、头颈部肿瘤和卡波西肉瘤）
- 风湿性疾病如系统性红斑狼疮（SLE）、类风湿关节炎（RA）和干燥综合征（B细胞淋巴瘤）
- 范可尼贫血（AML）