GBM是由星形細胞瘤惡變而來，是星形細胞瘤中惡性程度最高的類型。GBM一般被認為是星形細胞瘤、混合性星形少突細胞瘤、少突膠質細胞瘤進行性間變的表現，為分化Ⅳ級的星形細胞瘤。這一變化時間長短不一，但可能相當短。伴有分化好的膠質瘤成分被稱為繼發性膠質母細胞瘤，不伴有分化好膠質瘤成分的被稱為原發性膠質母細胞瘤。原發性GBM可來源于生長過于迅速的分化好的膠質瘤，也可來源于伴有星形及少突膠質細胞分化傾向的Denovo原始腫瘤。少見的變異型GBM可分為巨細胞性膠質母細胞瘤、富脂質上皮樣膠質母細胞瘤及膠質肉瘤三型。