胶质瘤有沿着白质浸润的倾向，肿瘤的边缘轮廓常与周围脑白质轮廓一致。结果胶质瘤在大脑皮质的脑回和间脑的神经核团之间便形成外形不规则的肿瘤。肿瘤在白质内浸润方式也不是随机的，肿瘤易于沿着自质纵行纤维浸润，而横行纤维对肿瘤浸润有某种程度的抑制作用。例如高度恶性的胶质瘤常沿着胼胝和内囊蔓延，额叶肿瘤可沿着胼胝蔓延至对侧大脑半球。顶叶胶质瘤可沿着放射冠和上纵束向前和向后于脑叶内广发蔓延。而附近的大脑皮质和间脑的神经核团可阻碍肿瘤向两侧蔓延。肿瘤沿着钩回蔓延到额颞部和沿着视放射也较常见。肿瘤在白质内浸润的可能机制是白质纤维：一方面为肿瘤浸润提供了风向标，另一方面对肿瘤细胞运动的阻力亦较小。通常肿瘤浸润伴随明显的组织水肿，肿瘤周围的水肿所显示肿瘤边界与MRI显示的肿瘤边界相一致。肿瘤周围水肿是组织对肿瘤浸润的反应，其发生一方面是由于肿瘤浸润所产生的对正常血管的损伤，另一方面则是由于肿瘤本身血管具有较高的道透性。水肿膨胀了细胞外间隙，使轴突相互分离，更有利于肿瘤细胞的运动和浸润。肿瘤周围白质水肿使肉眼上划定肿瘤的边界更为困难。肿瘤除了沿白质浸润外，还可以沿神经细胞周围成团浸润产生所谓卫星现象，沿着血管周围浸润在轴束内和束间沿着神经纤维浸润，少数情况下亦可沿着皮质分子层在软脑膜下浸润，这些浸润灶可成为广泛浸润的前奏。

星形细胞瘤常白质浸润的距离较远，而灰质和深部神经核团对肿瘤有相对的屏障作用，因此浸润的距离较近。在接近灰质和深部神经核团的部位，这种屏障作用可以给人以肿瘤呈膨胀性生长的假象。灰质和深部神经核团的屏障作用可能与白质神经纤维呈网状分布有关，同时白质也不发生血管源性水肿。

虽然星形细胞瘤不常浸润灰质，但少枝胶质细胞瘤却较常发生在灰质，常常非破坏性的浸润大胞皮质。这种肿瘤在大脑皮质呈明显的非破坏性的浸润有助于影像学上诊断少枝胶质细胞瘤类肿瘤。虽然灰质对少枝胶质细胞瘤类肿瘤的屏障作用较弱，一般说来，少枝胶质细胞瘤在灰质内浸润扔是局部的，其在白质浸润的距离更远。

胶质瘤常常于肿瘤局部累及蛛网膜下腔，但不在蛛网膜下腔广泛蔓延，软脑膜对肿瘤浸润有相对的屏障作用。

室管膜对胶质瘤浸润有屏障作用，然而胶质瘤沿室管膜下浸润蔓延很常见。在室管膜下生长的胶质瘤大小不一，或为显微镜下的微小病变，亦可谓充填脑室的巨大肿块。一旦肿瘤扩展到胞室，肿瘤常广泛累及室管膜表面，并可形成境界清楚的肿块。

胶质瘤浸润蛛网膜下腔和室管膜，就使肿瘤得以进入脑脊液的机会，肿瘤便会在脑内和脊髓内广泛转移。当然肿瘤沿着脑脊液转移最常见于原始神经外胚叶瘤，例如髓母细胞瘤，关于胶质瘤沿着脑脊液转移的概率各家报告不一，从1.5%到27%。

未经治疗的胶质瘤从不发生全身转移，其原因可能为胶质瘤细胞不能越过血管壁，或者由于抵达中枢神经系统以外的肿瘤细胞不能存活。肿瘤细胞却常沿着血管周围间隙蔓延，并可形成与主要瘤组织不连续的孤立肿瘤。

4~10%的胶质瘤呈多中心生长。中心生长并不意味着肿瘤的多中心起源，肿瘤沿着白质远距离蔓延，蔓延的肿瘤被灰质和深部神经核团隔开。肿瘤沿着室管膜蔓延，沿着软脑膜下血管周围蔓延是胶质瘤多中心生长的原因。