Huolimatta laajasta valikoimasta erilaisia lihaksia, jotka kiinnittävät ja liikuttavat luustorakennetta, luurankolihasten anatomia on pohjimmiltaan sama koko kehossa. Luustolihakset koostuvat pitkistä monitumaisista soluista, jotka ovat muodoltaan lieriömäisiä. Lihakset ovat lähes aina kiinnittyneet suoraan luihin, ja toisin kuin kaksi muuta lihastyyppiä, sydän- ja sileälihakset, ovat vapaaehtoisen hallinnan alaisia. Luurankolihaksissa on monia kerroksia ja kalvoja, jotka suojaavat ja osittavat niiden eri komponentteja. Monitumaisia soluja voidaan kutsua myös kuiduiksi, jotka ryhmittyvät nipuiksi riippuen vapaaehtoisesta toiminnasta, jota ne hallitsevat.
Luurankolihasten ensimmäinen kerros on ohut, elastinen kalvo, jota kutsutaan sarkolemmiksi ja joka peittää yksittäiset solut. Sarkolemman päätehtävä on pitää kaikki solun eri komponentit ehjinä, samalla tavalla kuin solukalvo toimii muissa kehon soluissa. Sarkolemman sisällä lihassolun neste eli sarkoplasma sisältää pl, myofibrilliä. Jokainen yksittäinen kuitu sisältää lukuisia myofibrillejä, jotka ovat proteiinisäikeitä, jotka kulkevat lihassäikeen koko pituudelta. Nämä rakenteet sijaitsevat vierekkäin ja ovat vastuussa lihasten pidentämisestä ja supistumisesta keskushermoston (CNS) signaalin perusteella.
Myofibrillit voidaan edelleen leikata toiseksi komponentiksi, joka on suoremmin mukana kuidun supistumisessa ja pidentymisessä, sarkomeeriksi. Sarkomeerit toimivat pieninä supistuvan kudoksen ketjuina, jotka on kohdistettu päästä päähän kaikkialla myofibrillissä. Mikroskooppisella tasolla myofibrilli koostuu vielä hienommasta proteiinisäikeestä, jota kutsutaan myofilamentiksi. Myofilamenttiproteiinit koostuvat tummista juosteista tai anisotrooppisista (A) vyöhykkeistä ja vaaleista juosteista tai isotrooppisista (I) vyöhykkeistä; kontrastiväriset proteiinit antavat luustolihakselle sen poikkijuovaisen ulkonäön. Myofilamentin A- ja I-nauhat ovat myös vastuussa adenosiinitrifosfaatin (ATP) metaboliosta, joka käynnistää lihasten supistumisen.
Makroskooppisella tasolla luustolihakset koostuvat useista kerroksista. Ulointa kutsutaan epimysiumiksi, ja se suojaa luurankolihaksia vahingollisilta kitkalta, jota saattaa syntyä niiden liikkuessa muita lihaksia ja luita vastaan. Epimysium on erityisen tärkeä osa luurankolihasten anatomiassa, koska se muodostaa yhdessä muiden sidekudosten kanssa lihasjänteen. Lihasjänne on vahva, kuitumainen “köysi”, joka estää lihaksia luisumasta kiinni kiinnityspisteistään luissa.