Las células epiteliales cuboideas bajas que componen al segmento grueso ascendente tienen núcleos redondos a ligeramente ovales de ubicación central, y unas cuantas microvellosidades cortas con forma de maza. Aunque las superficies laterales de estas células se interdigitran entre si, las interrelaciones entre las células vecinas no son casi tan complejas como en los túbulos contorneados proximales. Sin embargo, las interdigitaciones basales son mucho más extensas y el número de mitocondrias es mucho mayor en estas células que en las de los túbulos contorneados proximales. Más aún, estas células forman zónulas ocluyentes altamente eficientes con sus células vecinas.

La rama ascendente gruesa no es permeable al agua o a la urea. Por añadidura sus células tienen bombas de Cloruro (y quizá de sodio) que funcionan en el transporte activo del cloruro ( y del sodio) desde la luz del túbulo. Por tanto, conforme el filtrado llega a la corteza renal dentro de la luz de túbulo distal, su concentración de urea se conserva elevada.

Durante su ascenso por la rama gruesa del asa de Henle pasa cerca de su propio corpúsculo renal y se ubica entre las arteriolas glomerulares aferente y eferente. Esta región del túbulo distal se denomina mácula densa. Como las células de la mácula densa son altas y estrechas, los núcleos parecen estar mucho más cerca entre sí que los del resto del túbulo distal.