能够直接识别并杀死病毒感染细胞的主要免疫细胞是自然杀伤细胞（Natural Killer Cells，简称NK细胞）和细胞毒性T淋巴细胞（Cytotoxic T Lymphocytes，简称CTLs）。这两种细胞在机体对抗病毒等病原体感染过程中发挥着重要的作用。
1. 自然杀伤细胞：这是一种先天性免疫系统的重要组成部分。它们不需要事先接触抗原就能识别并杀死被病毒感染的细胞或肿瘤细胞。NK细胞通过表面受体检测靶细胞上的特定分子，当这些分子表达异常时（如病毒感染导致MHC I类分子减少），NK细胞就会被激活，并释放穿孔素和颗粒酶等物质，诱导靶细胞凋亡。
2. 细胞毒性T淋巴细胞：属于适应性免疫系统的一部分。CTLs需要经过抗原呈递过程后才能识别并攻击感染了特定病毒的宿主细胞。当病毒感染细胞时，该细胞会通过MHC I类分子展示病毒肽段，这可以被具有相应TCR（T细胞受体）的CTLs所识别。一旦识别成功，CTLs同样会分泌穿孔素和颗粒酶等效应分子，导致靶细胞裂解或凋亡。
这两种免疫细胞在病毒感染早期阶段即开始发挥作用，并且随着免疫反应的发展而增强其功能，对于清除病毒具有重要意义。
