มะเร็งท่อน้ำดีอาจเกิดกับท่อน้ำดีตรงส่วนใดก็ได้ ทั้งในและนอกตับ เนื้องอกที่เกิดในท่อน้ำดีในตับจะถูกเรียกเป็นชนิด "ในตับ" (intrahepatic) ส่วนที่เกิดกับท่อน้ำดีนอกตับเรียก "นอกตับ" (extrahepatic) และเนื้องอกที่เกิดกับตำแหน่งที่ท่อน้ำดีออกจากตับพอดีเรียกเพอริไฮลาร์ (perihilar) มะเร็งท่อน้ำดีที่เกิดขึ้นที่ตำแหน่งที่ท่อตับข้างซ้ายและข้างขวามารวมกันเป็นท่อน้ำดีร่วมนั้นอาจเรียกว่าเนื้องอกคลาตสกิน (Klatskin tumor) [33]

แม้จะเป็นที่ทราบกันดีว่ามะเร็งท่อน้ำดีเป็นอะดีโนคาร์ซิโนมาของเซลล์เยื่อบุผิวทางเดินน้ำดี แต่ก็ยังไม่เป็นที่ทราบชัดเจนว่าเซลล์ต้นกำเนิดคือเซลล์ใด แม้หลักฐานใหม่ๆ ชี้ว่าอาจมีเซลล์ต้นกำเนิดเป็นสเต็มเซลล์หลายสรรพคุณในตับ (pluripotent hepatic stem cell) ก็ตาม[34][35][36] เชื่อกันว่ามะเร็งท่อน้ำดีเกิดขึ้นได้จากการเกิดมะเร็งหลายระยะ ตั้งแต่มีการเจริญเกิน (hyperplasia) ในช่วงแรก กลายเป็นเมตาเพลเชีย (metaplasia) และเป็นการเจริญผิดปรกติ (dysplasia) และเกิดเป็นมะเร็งขึ้นในที่สุด ซึ่งเป็นกระบวนการที่ใกล้เคียงกับที่เกิดในการเกิดมะเร็งลำไส้ใหญ่[37] และเชื่อว่าการอักเสบเรื้อรังของท่อน้ำดี การอุดตันท่อน้ำดี และการมีน้ำดีคั่ง อาจมีส่วนในการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้[37][38][39]

ทางมิญชวิทยาพบว่าเซลล์มะเร็งท่อน้ำดีมีความแตกต่างทางการเปลี่ยนสภาพของเซลล์ (cell differentiation) ตั้งแต่ดี (well) ไปจนถึงแย่ (undifferentiated) ส่วนใหญ่ถูกล้อมรอบด้วยการตอบสนองแบบมีเนื้อเยื่อพังผืด (fibrotic tissue) และเนื้อเยื่อเดสโมพลาสติก (desmoplastic tissue) หากมีเนื้อเยื่อพังผืดมากอาจทำให้แยกเซลล์มะเร็งท่อน้ำดีที่มีการเปลี่ยนสภาพของเซลล์ดีออกจากเซลล์เนื้อเยื่อบุผิวที่ถูกกระตุ้น (reactive epithelium) ไม่ได้ ยังไม่มีสารย้อมทางอิมมูโนฮิสโตเคมิสทรี (immunohistochemistry) ตัวใดที่สามารถแยกเนื้อเยื่อท่อน้ำดีที่เป็นเนื้อร้ายออกจากเนื้อไม่ร้ายได้ แม้จะมีการย้อมสารไซโตเคราติน (cytokeratin) คาร์ซิโนเอมบริโอนิกแอนติเจน และมิวซินที่อาจช่วยในการวินิจฉัยได้บ้างก็ตาม[40] เนื้องอกส่วนใหญ่ (>90%) เป็นมะเร็งชนิดต่อม[41]