Le syndrome myélodysplasique ne permet pas la maturation de la moelle osseuse, c’est-à-dire que la moelle osseuse ne mûrit jamais comme une moelle osseuse normale. Cela fait également travailler le cœur plus dur que la normale. La caractéristique la plus caractéristique est peut-être la différenciation altérée (dysplasique) qui affecte toutes les lignées non lymphoïdes (érythroïde, granulocytaire, monocytaire et mégacaryocytaire).
Au sein de la série érythroïde, les anomalies courantes comprennent les sidéroblastes annulaires, les érythroblastes avec des mitochondries chargées de fer, visibles sous forme de granules périnucléaires sur des aspirats ou des biopsies colorées au bleu de Prusse; une maturation mégaloblastique rappelant celle observée dans la carence en vitamine B12 et en folate; et des anomalies de maturation nucléaire, qui sont reconnues comme des noyaux mal formés, souvent polypoïdes, profilés.
Les neutrophiles contiennent souvent un nombre réduit de granules secondaires, de granulations toxiques ou de corps de Döhle. Les pseudo-cellules de Pelger-Hüet sont communes, des neutrophiles avec seulement deux lobes nucléaires et des neutrophiles complètement dépourvus de segmentation nucléaire peuvent même être trouvés. Les mégacaryocytes à lobes nucléaires simples ou à noyaux séparés multiples sont également caractéristiques (« mégacaryocytes à boule de pion »).
Les myéloblastes peuvent être augmentés, mais constituent moins de 20% de la cellularité globale. Le sang périphérique contient souvent des cellules pseudo-Pelger-Hüet, des plaquettes géantes, des macrocytes, des poïkilocytes et une monocytose relative ou absolue.