Fettcellene i brunt fettvev inneholder mange små fettdråper i cytoplasma omgitt av et enkelt fosfolipidlag med proteinet perilipin og mange mitokondrier rundt fettdråpene. Mitokondriene er frikoplete, så de produserer varme – i stedet for ATP – som følge av elektrontransporten. Frikoplingen skyldes forekomsten av proteinet UCP (, termogenin) i indre mitokondriemembran. Fettcellene er omgitt av et tett nettverk av blodkapillærer for å tilføre oksygen til forbrenningen. Mitokondrier og kapillærer gir den brune fargen til fettvevet.