免疫系は，共同で抗原を破壊する細胞成分および分子成分から成る。（免疫系の概要も参照のこと。）
抗原提示細胞
一部の抗原（Ag）は免疫応答を直接活性化することがあるが，T細胞依存性の獲得免疫応答では，典型的には主要組織適合抗原複合体（MHC）分子内で抗原由来ペプチドを提示する抗原提示細胞（APC）を必要とする。
あらゆる有核細胞はMHCクラスI分子を発現するため，細胞内抗原（例，ウイルス）は有核細胞によって処理されてCD8陽性の細胞傷害性T細胞に提示されることがある。この処理を妨げるタンパク質をコードすることによって排除を逃れるウイルス（例，サイトメガロウイルス）もある。
細胞外抗原（例，多くの細菌に由来する）がCD4陽性のヘルパーT（Th）細胞に認識されるためには，ペプチドに加工され，プロフェッショナルAPC（T細胞に抗原を提示することに特化している）で細胞表面のMHCクラスII分子と複合体を形成しなければならない。以下の細胞は，構成的にMHCクラスIIを発現し，それゆえにプロフェッショナルAPCとして活動する：
樹状細胞
単球
マクロファージ
樹状細胞は，皮膚（ランゲルハンス細胞として），リンパ節，および全身の組織にみられる。皮膚の樹状細胞は，見張り（sentinel）のAPCとして機能し，抗原を取り込んだ後に局所リンパ節に移動し，そこでT細胞を活性化することができる。濾胞樹状細胞は別の系統であり，MHCクラスII分子を発現せず，それゆえに抗原をTh細胞に提示しない。樹状細胞は食細胞ではない；免疫グロブリン（Ig）Gの結晶化フラグメント（Fc）領域および補体に対する受容体を有し，それにより免疫複合体に結合できるようになり，二次リンパ器官の胚中心でその複合体をB細胞に提示する。
循環血中の単球は，組織マクロファージの前駆細胞である。単球は組織内に遊走し，そこで様々な細胞型（例，内皮細胞，線維芽細胞）によって分泌されるマクロファージコロニー刺激因子（M-CSF）の影響下で約8時間かけてマクロファージとなる。感染部位では，活性化したT細胞がサイトカイン（例，インターフェロンγ［IFN-γ］）を分泌し，それによりマクロファージ遊走阻止因子の産生が誘発され，マクロファージの離脱が防止される。
マクロファージは，サイトカイン（例，IFN-γ，インターロイキン4［IL-4］，IL-13）および様々な微生物成分（例，リポ多糖体）によって活性化される。活性化マクロファージは，細胞内微生物を死滅させるとともに，サイトカイン（例，腫瘍壊死因子α［TNF-α］，IL-10）を分泌する。遺伝子発現プロファイルが異なることに基づいて，マクロファージの亜型（例，M1，M2）が特定されている。
リンパ球
リンパ球の主な種類は以下の2つである：
B細胞（骨髄で成熟する）
T細胞（胸腺で成熟する）
これらの主な種類のリンパ球は形態学的に区別できないが，免疫機能は異なる。抗原特異的表面受容体およびcluster of differentiation（CD）と呼ばれる分子によって区別でき，これらの分子の有無により一部の亜集団が定義される。300を超えるCDが同定されている（CD抗原に関する詳しい情報は，Human Cell Differentiation Moleculesのウェブサイトを参照）。各リンパ球は，細胞表面受容体を介して特異的抗原を認識する。
B細胞
血液中のリンパ球の約5～15％はB細胞である；また，骨髄，脾臓，リンパ節，および粘膜関連リンパ組織にもみられる。
B細胞はT細胞に抗原を提示し，サイトカインを放出することができるが，主な機能は形質細胞になり，抗体を産生して分泌することである。
B細胞性の免疫不全症患者（例，X連鎖無ガンマグロブリン血症）は特に反復性細菌感染を起こしやすい。
免疫グロブリン（Ig）をコードする遺伝子がランダムに再構成されたB細胞の集合は，ほぼ無限の数の特異的抗原を認識する能力を有する。遺伝子再構成は，骨髄におけるB細胞の発生段階でプログラムされた過程を経て起こる。この過程は分化の方向が定まった幹細胞で始まり，続いてプロB細胞，プレB細胞の時期を経て，未成熟B細胞に至る。この段階で，自己抗原と反応する細胞（自己免疫細胞）があれば，全て不活化またはアポトーシスを介して未成熟B細胞集団から排除される。このような細胞が排除されることにより，免疫系がこれらの抗原を異物として認識する可能性が低くなる（免疫寛容）。排除されなかった細胞（すなわち，非自己抗原を認識する細胞）は，分化を続けて成熟ナイーブB細胞となり，骨髄を離れて，抗原に遭遇する可能性のある末梢リンパ器官に入る。
抗原に対する応答には以下の2段階がある：
一次免疫応答：成熟ナイーブB細胞が抗原と初めて遭遇すると，リンパ芽球になってクローン増殖を起こし，将来同じ抗原と反応できるメモリー細胞，または抗体を分泌する成熟した形質細胞に分化する。抗原に初めて曝露した後に，抗体を産生するまでには数日の潜伏期間がある。曝露後，IgMのみが産生される。その後に，B細胞はT細胞の助けを借りて，さらにIg遺伝子の再構成を起こし，IgG，IgA，またはIgE産生細胞へと切り替わる。このように，最初の曝露後は応答が緩徐で，最初に得られる防御免疫も限定的となる。
二次（既往またはブースター）免疫応答：メモリーB細胞およびTh細胞が抗原に再度曝露すると，メモリーB細胞が急速に増殖して，成熟形質細胞に分化し，大量の抗体（T細胞誘導性のアイソタイプスイッチのため，主にIgG）が迅速に産生される。抗体が血液中および他の組織中に放出され，そこで抗原と反応できる。したがって，再曝露後の免疫応答は，一次応答より速く，より効果的である。
T細胞
T細胞は骨髄幹細胞から成長し，胸腺に移行して，そこで厳格な選別を受ける。T細胞の主な種類としては以下の3つがある：
ヘルパーT細胞
制御性T細胞（抑制性T細胞）
細胞傷害性T細胞
選別では，自己MHC分子によって提示される自己抗原，または自己MHC分子自体（抗原提示の有無にかかわらず）に反応するT細胞は，アポトーシスによって排除され，自己免疫の可能性が制限される。自己MHC分子と複合体を形成した非自己抗原を認識できるT細胞のみが生き延びる；胸腺を離れて末梢血およびリンパ組織に向かう。
ほとんどの成熟T細胞は，CD4またはCD8のいずれかを発現し，抗原に結合するT細胞受容体（TCR）と呼ばれるIg様の細胞表面受容体を有する。TCRの種類には以下の2つがある：
αβTCR：TCRα鎖およびβ鎖から成る；ほとんどのT細胞にある
γδTCR：TCRγ鎖およびδ鎖から成る；ごく一部のT細胞にある
TCRをコードする遺伝子は，Ig遺伝子と同様に，再構成され，抗原への特異性および親和性が確定する。ほとんどのT細胞（αβTCRをもつもの）は，抗原提示細胞のMHC分子内に提示される抗原由来ペプチドを認識する。γδT細胞は，タンパク質抗原を直接認識するか，またはCD1と呼ばれるMHC様分子に提示された脂質抗原を認識する。B細胞と同様に，T細胞の特異性はほぼ無限である。
αβT細胞が活性化されるためには，TCRが抗原-MHC複合体に結合しなければならない（の図を参照）。共刺激性のアクセサリー分子も相互作用しなければならない（例，T細胞上のCD28と抗原提示細胞上のCD80およびCD86の相互作用）；そうでなければ，T細胞はアネルギー状態になるか，アポトーシスにより死滅する。一部のアクセサリー分子（例，T細胞上のCTLA-4［cytotoxic T-lymphocyte antigen 4］，抗原提示細胞上のCD80およびCD86とも相互作用を起こす；T細胞上のPD-1［programmed cell death protein 1］，抗原提示細胞上のPD-L1［programmed cell death protein ligand 1］と相互作用を起こす）はすでに活性化したT細胞を抑制し，免疫応答を弱める。CTLA-4やPD-1などの分子とそのリガンドは，T細胞がその活性の継続を抑制するために必要な信号を伝達するため，チェックポイント分子と呼ばれる。そのため，チェックポイント分子を発現するがん細胞は，腫瘍特異的T細胞の活性を抑制することで免疫系から保護される。
抗腫瘍応答のダウンレギュレーションを防ぎ，従来の治療抵抗性のがんの一部を効果的に治療するために，T細胞上または腫瘍細胞上のチェックポイント分子を標的とするモノクローナル抗体（免疫チェックポイント阻害薬と呼ばれる；臨床で用いられている主な免疫療法薬の表を参照）が用いられている。しかしながら，免疫チェックポイント分子は他の種類の免疫応答にも関与するため，免疫チェックポイント阻害薬は免疫関連の重度の炎症反応および自己免疫反応（全身性および臓器特異的のいずれも起こりうる）を引き起こす可能性がある。
CTLA-4遺伝子における多型性は，バセドウ病および1型糖尿病を含む特定の自己免疫疾患と関連する。
T細胞活性化に関する2シグナルモデル
T細胞受容体（TCR）のα鎖およびβ鎖が抗原提示細胞（APC）表面の抗原-主要組織適合抗原複合体（MHC）に結合し，CD4またはCD8がMHCと相互作用を起こす。両作用によりアクセサリー分子のCD3鎖を通してT細胞が刺激される（第1シグナル）。しかし，第2（共活性化）シグナルがなければ，T細胞はアネルギー状態または寛容状態のままである。 TCRはB細胞受容体と構造的に相同である；α鎖およびβ鎖（またはγ鎖およびδ鎖）には定常（C）領域および可変（V）領域がある。（1）= 第1シグナル；（2）= 第2シグナル。 |
ヘルパーT（Th）細胞は通常CD4陽性であるが，CD8陽性の細胞もある。Th0細胞から以下のいずれかに分化する：
Th1細胞：一般的に，Th1細胞は細胞傷害性T細胞およびマクロファージによる細胞性免疫を促進し，それにより特に細胞内の病原体（例，ウイルス）に対する防御にかかわる。さらに，一部のクラスの抗体産生も促進する。
Th2細胞：Th2細胞は特にB細胞による抗体産生（液性免疫）の促進に長け，そのため特に細胞外の病原体（例，細菌，寄生虫）に向けた応答の指揮にかかわる。
Th17細胞：Th17細胞は組織の炎症を促進する。
細胞型ごとにいくつかのサイトカインを分泌する（T細胞の機能の表を参照）。サイトカイン産生パターンの違いにより，他のTh細胞の機能的表現型が同定される。刺激する病原体の種類に応じて，Th1細胞とTh2細胞はある程度まで互いの活性を抑制して，結果的にTh1応答とTh2応答のどちらかを優勢にすることが可能である。
異なるTh細胞間の相違は臨床的に意味がある。例えば，Th1応答は類結核型のハンセン病で優勢であり，Th2応答はらい腫型のハンセン病で優勢である。Th1応答は特定の自己免疫疾患（例，1型糖尿病，多発性硬化症）に特徴的であり，Th2応答は，一部の自己免疫疾患（例，バセドウ病，重症筋無力症）でB細胞の自己抗体産生を助けるのに加え，IgE産生およびアレルギー疾患の発現を促進する。Th17細胞は，炎症における役割を果たすことで，乾癬および関節リウマチなどの自己免疫疾患の一因になることもある。Th17細胞の欠陥を特徴とする免疫不全症（例，高IgE［Job］症候群）の患者は，特にCandida albicansおよび黄色ブドウ球菌による感染症に罹患しやすい。
制御性（抑制性）T（Treg）細胞は，免疫応答の抑制を調節し，通常はFoxp3転写因子を発現する。これらはCD4陽性またはCD8陽性T細胞の機能性亜集団で構成され，胸腺内で発生するか（自然Treg），末梢で抗原と遭遇した際に従来のT細胞から発生する（誘導Treg）。制御性T細胞は，免疫抑制作用のある形質転換増殖因子（TGF）-βやインターロイキン10（IL-10）などのサイトカインを分泌したり，または細胞間接触を必要としCTLA-4やCD25などの細胞表面分子が関与する機序によって，免疫応答を抑制したりする。Foxp3に機能的変異がある患者は自己免疫疾患のIPEX症候群（免疫調節異常［immune dysregulation］，多腺性内分泌障害［polyendocrinopathy］，腸疾患［enteropathy］，X連鎖症候群［X-linked syndrome］）を発症する。
細胞傷害性T（Tc）細胞は，通常CD8陽性であるが，CD4陽性の細胞もある；細胞内病原体，特にウイルスの排除に不可欠な細胞である。Tc細胞は，臓器移植の拒絶反応に関与する。
Tc細胞の発生には以下の3段階がある：
該当する刺激を受けた場合にTc細胞に分化できる前駆細胞
分化済みで，該当する標的を死滅させることができるエフェクター細胞
静止状態（もはや刺激を受けていない）であるが，最初の抗原-MHC複合体により再刺激を受けると，直ちにエフェクター細胞となるメモリー細胞
ナチュラルキラー（NK）細胞と同様に，十分に活性化したTc細胞は，感染した標的細胞にアポトーシスを誘導することにより死滅させることができる。
Tc細胞はサイトカインを分泌でき，Th細胞と同様に，サイトカイン産生パターンに基づいてTc1およびTc2の2種類に分類されている。
Tc細胞には以下のものがある：
同系：ウイルス感染または他の外来タンパク質によって変質した自己（自家）細胞に応答して生じる
同種：異質なMHC産物を発現する細胞に応答して生じる（例，臓器移植でドナーのMHC分子がレシピエントと異なる場合）
一部のTc細胞は異質なMHCを直接認識できる（直接経路）；移植レシピエントの自己MHC分子によって提示される異質なMHCの断片を認識できるものもある（間接経路）。
ナチュラルキラーT（NKT）細胞は，全く異なるT細胞の亜集団である。活性化NKT細胞はIL-4およびインターフェロンγを分泌し，免疫応答の調節に役立つことがある。NKT細胞とNK細胞は，表現型と特定の機能において異なる。
肥満細胞
肥満細胞は組織中に存在し，機能的には循環血中の好塩基球に似ている。
粘膜の肥満細胞の顆粒には，トリプターゼおよびコンドロイチン硫酸が含まれている；結合組織の肥満細胞の顆粒には，トリプターゼ，キマーゼ，およびヘパリンが含まれている。これらのメディエーターを放出することによって，肥満細胞は防御的な急性炎症反応の発生に重要な役割を果たしている；好塩基球および肥満細胞はアトピー性アレルギーに関連するI型過敏反応の発生源である。脱顆粒は，IgE受容体の架橋によって，またはアナフィラトキシンの補体断片C3aおよびC5aによって誘発されることがある。
ナチュラルキラー（NK）細胞
典型的なナチュラルキラー（NK）細胞は，一括して自然リンパ球と呼ばれる細胞カテゴリー（ILC1，ILC2，およびILC3なども含まれる）に属する。NK細胞は末梢血単核球の5～15％を占め，丸い核および顆粒を含む細胞質を有する。この細胞は，いくつかの経路によって感染細胞または異常細胞をアポトーシスに誘導する。他の自然リンパ球と同様，抗原特異的受容体を欠く；しかしながら，最近のエビデンスによると，一部のNK細胞はある種の免疫記憶を有することが示唆されている。
NK細胞は，細胞表面マーカーがCD2陽性，CD3陰性，CD4陰性，CD8陽性，CD16陽性（IgG-Fcに対する受容体），およびCD56陽性であることを最もよく特徴とする。
典型的なNK細胞は腫瘍監視にとって重要と考えられている。NK細胞は，活性化受容体および抑制性受容体の両方を発現している。NK細胞の活性化受容体は標的細胞の多数のリガンド（例，MHC class I–related chain A［MICA］およびchain B［MICB］）を認識する；NK細胞の抑制性受容体はMHCクラスI分子を認識する。NK細胞は，抑制性受容体からの強力なシグナルがない場合にのみ標的を死滅させることができる。そのため，細胞表面にMHCクラスI分子（通常，有核細胞表面に発現）が存在すると，細胞の破壊が防止される；これらの分子がないことは，MHCの発現を阻害する特定のウイルスに細胞が感染していること，または細胞ががんになって変化したためMHCの発現が欠失していることを示す。
NK細胞は，いくつかのサイトカイン（例，IFN-γ，IL-1，TNF-α）も分泌することができる；IFN-γの主要な供給源である。NK細胞はIFN-γを分泌することによって，1型ヘルパーT（Th1）細胞の分化を促進し，2型ヘルパーT（Th2）細胞の分化を阻害することで，獲得免疫系に影響を与えることができる。
NK細胞欠損症患者（例，重症複合免疫不全症の一部の型）は，特にヘルペスウイルスおよびヒトパピローマウイルスに感染しやすいが，NK細胞が過剰であると自己免疫疾患発症の一因になることがある。
多形核白血球
多形核白血球は，細胞質に顆粒を多く含むことから顆粒球とも呼ばれ，以下の細胞がある：
好中球
好酸球
好塩基球
多形核白血球は循環血中に存在し，分葉核を有する。
好中球
好中球は循環血中の総白血球数の40～70％を占め，感染に対する防御の最前線に位置する。成熟好中球の半減期は約2～3日である。
急性炎症反応（例，感染に対する反応）では，走化性因子によって動員され，血管内皮細胞上の接着分子の発現により引き付けられた好中球が循環血中を離れて組織に侵入する。好中球の目的は病原体を貪食して消化することである。食作用によって溶菌酵素および反応性酸素化合物（例，スーパーオキシド，次亜塩素酸）が産生され，顆粒の内容物（例，デフェンシン，プロテアーゼ，殺菌作用のある透過性亢進タンパク質，ラクトフェリン，リゾチーム）の放出が誘発されると，微生物は死滅する。微生物のDNAおよびヒストンも放出され，エラスターゼなどの顆粒内容物とともに好中球細胞外トラップ（NET）と呼ばれる線維構造が周辺組織に形成される；これらの構造は，細菌を捕捉し，酵素活性を集中させることによって殺作用を促進する。
病原体を死滅させる食細胞の能力に影響を与える免疫不全症（例，慢性肉芽腫症）の患者は，特に慢性の細菌感染症および真菌感染症を起こしやすい。
好酸球
好酸球は循環血中の白血球の最大5％を占める。
貪食するには大きすぎる微生物を標的とする；毒性物質（例，好中球で産生されるものと同様な反応性酸素化合物），主要塩基性タンパク質（寄生虫に対して毒性），好酸球陽イオンタンパク質，および数種の酵素を分泌することによって標的を死滅させる。
好酸球は，炎症メディエーター（例，プロスタグランジン，ロイコトリエン，血小板活性化因子，多くのサイトカイン）の主要な供給源でもある。
好塩基球
好塩基球は循環血中の白血球の5％未満を占め，いくつかの特徴を肥満細胞と共有するが，これらの2種類の細胞は異なる系統である。両方とも，FcεRIと呼ばれるIgEに対する高親和性受容体を有する。これらの細胞が特定の抗原に遭遇すると，2価のIgE分子が各受容体に結合して架橋を形成することで，あらかじめ産生された炎症メディエーター（例，ヒスタミン，血小板活性化因子）の放出および新たに合成されるメディエータ（例，ロイコトリエン，プロスタグランジン，トロンボキサン）の産生により細胞の脱顆粒が誘発される。
