毛细血管横断面的一般结构是内皮细胞及其基膜和周细胞。内皮细胞和基膜细胞构成内膜，中膜缺如，外膜为毛细血管外层的薄层结缔组织，与周围组织相延续。
毛细血管中，细的毛细血管仅由一个内皮细胞组成，较粗的毛细血管由2-3个内皮细胞组成。内皮细胞的基膜只有基板，在内皮细胞与基膜之间，散在分布一种扁平而有突起的周细胞，细长的突起紧贴在内皮细胞周围。周细胞的功能尚不清楚，可能主要起收缩、调节毛细血管血流的作用。毛细血管受损时，周细胞可增殖分化为内皮细胞、平滑肌纤维和成纤维细胞，参与血管的生长和损伤修复。
此外，毛细血管是连接在动脉和静脉之间、管径最细、分布最广的血管，也是血液与物质交换的主要场所。营养物质和氧气、激素等透过毛细血管壁，可供细胞进行生理活动。