主要通过T淋巴细胞完成。抗原进入机体刺激T淋巴细胞使其致敏，致敏的T淋巴细胞与相应抗原再次相遇时，发生分化增生，并释放多种可溶性活性物质（淋巴因子），可激活并增强巨噬细胞的吞噬作用，并通过细胞毒作用和淋巴因子杀伤病原体及其所寄生的细胞。细胞免疫对细胞内寄生病原体感染的清除起重要作用，如细菌（结核杆菌、伤寒杆菌）、病毒（疤疹病毒、麻疹病毒）、真菌（隐球菌、念珠菌）及立克次体感染等。此外，T淋巴细胞还有调节体液免疫的功能。T淋巴细胞按其表面抗原可分为CD4和CD8两个主要亚群，CD4 具有辅助和促进其他细胞的免疫功能；CD8具有抑制其他细施的免疫功能和杀伤靶细胞功能。
