多细胞生命体进化出了特化的细胞以保护机体免受细菌、病毒与寄生虫的攻击。白细胞正是我们体内发挥防御清除功能的细胞。白细胞最初产生于骨髓中，其中一部分可进入脾脏、胸腺与淋巴腺中完成最终的分化。机体响应刺激产生白细胞的时间是十分惊人的。当我们遭受流感病毒攻击时，感染数小时内白细胞数量将升高至三倍。人们对免疫细胞保护机体免受感染机制的探索，无形中推动了生物医学一个充满活力的领域——免疫学的发展。
免疫系统的核心细胞是淋巴细胞或T细胞〔因其在胸腺（thymus）中成熟而得名〕与B细胞〔B代表法氏囊（bursa），是鸟类B细胞成熟的场所；而在其他动物中，B细胞于骨髓中发育〕（如图15a所示）。T细胞可以进一步细分为不同类型的细胞，包括记忆、辅助、细胞毒性以及调节和抑制T细胞。T记忆细胞可以在机体成功抵抗感染后的很长一段时间里仍携带有害物质及生物感染的相关信息（称为抗原）。这一过程同样可以通过接种疫苗来触发。T记忆细胞通常可以存活终生，并持续监视机体内是否出现了特定的抗原。当重新接触到特定抗原后，记忆T细胞将迅速分裂并通过其细胞表面蛋白向免疫系统发出警告信号。鉴于自然界存在大量潜在的抗原序列，例如蛋白质中两到三个连续的氨基酸、一个经过化学修饰的糖分子，甚至整个蛋白质分子均可作为抗原，因此我们机体内存在数百万个不同的T记忆细胞。
调节性T细胞在免疫耐受过程中发挥着重要的作用。如果反应性T细胞在免疫反应中将自身蛋白误认为是外源性蛋白，那么调节性T细胞将会抑制反应性T细胞的作用。辅助性T细胞可以刺激其他免疫细胞的生长。如果将其他类型的T细胞比作免疫系统的外交官与将军，那么细胞毒性与自然杀伤T细胞便是军队中的步兵。它们可以识别病毒感染的细胞以及肿瘤细胞，并通过向靶细胞中导入特定蛋白，诱导其发生细胞死亡从而将其杀死。
成熟的B细胞可以产生免疫球蛋白，而免疫球蛋白可以结合形成抗体，进而与特定的分子结构相结合。那么机体是如何创造出成千上万种不同的抗体的呢？原来，通过将分子量较大的免疫球蛋白基因的不同片段拼接在一起，便可以产生具有不同活性位点的免疫球蛋白，而每个活性位点只能与一种特定抗原（蛋白质或糖结构中的一小部分）相结合。
另一种主要的白细胞类别是髓样细胞，由粒细胞、巨核细胞及巨噬细胞所组成，其结构与T细胞和B细胞相比具有更多的变化。所有髓样细胞都参与了机体免疫，并通过与T细胞和B细胞不同的机制以清除外来生物。细胞内含有颗粒的粒细胞可进一步细分为嗜中性粒细胞、嗜酸性粒细胞以及嗜碱性粒细胞。人类一升的血液中约含有50亿个中性粒细胞（约占所有白细胞数量的一半）。当接收到受伤部位发出的信号后，中性粒细胞将离开血液并到达潜在的感染部位，整个过程只需大约30分钟的时间。中性粒细胞是非常重要的杀伤细胞，可以迅速吞噬掉那些被抗体标记的入侵细菌，并将其消化。一旦完成工作，中性粒细胞将变为脓细胞。不太常见的嗜酸性粒细胞（来自拉丁语，是指它们对化学染料具有“嗜酸”反应）可以向寄生虫内注入过氧化氢（通常用作染发剂和消毒剂）将其摧毁。幸运的是，当嗜酸性粒细胞被激活后，只能在循环系统中存活几个小时。嗜酸性粒细胞还介导了过敏性反应，并在哮喘的发病过程中发挥了重要的作用。此外，它们还参与了包括移植排斥与癌症在内的许多其他生物学过程。在蜱虫等寄生虫感染的部位可以观察到大量的嗜碱性粒细胞（它们可以与碱性化学染料发生反应）。在19世纪后期，保罗·埃里希（PaulEhrlich）首次观察到了肥大细胞。由于肥大细胞内含有许多颗粒，提示了它们可能为周围的细胞提供养料，因此，埃里希将这些细胞命名为Mastzellen（来自德语“Mast”，意为食物）。肥大细胞的颗粒中含有组胺，当其释放时将引发花粉症等过敏反应。
巨核细胞的体积比红细胞大10倍，可以产生大量具有凝血功能的血小板。巨核细胞一般占髓样细胞的0.001%。在它们成熟的过程中，DNA会进行多次复制，而细胞却不再分裂。这一现象被称为多倍体，可以使细胞体积增大。在一些巨核细胞中，DNA可高达64份（正常细胞仅含有两份DNA）。当巨核细胞完成成熟过程后，可响应蛋白激素血小板生成素，产生“血小板前体”。随后，整个巨核细胞将经历受控的“爆炸”过程，分裂形成数千个血小板。血小板通常呈带状分布于血管中。人类每天可生产10亿个血小板，其寿命通常为四到五个小时。血小板（除红细胞外唯一缺少细胞核的细胞）可于血管内皮细胞附近聚集成团，以防止血管受损引起失血。当血小板活化聚集时，其形状将发生改变，延伸出长指状结构并相互连接在一起（如图15d所示）。最后一种髓样细胞是巨大而笨重的变形虫样细胞——巨噬细胞，可以收集机体所产生的垃圾。首先，巨噬细胞会包裹住细胞碎片与病原体并将其吞噬，这一过程被称为吞噬作用。然后，巨噬细胞将吞噬物的成分进行分解，以供机体进一步使用。通常情况下，1个巨噬细胞可以消化100个细菌，当超过这一限度后，巨噬细胞会发生破裂。在吞噬过程中，外来物质会被整个吞噬，其细胞膜将被降解，进而产生许多小的“外来”蛋白片段（抗原）。随后，这些抗原将被输送至巨噬细胞的表面，并在那里“呈递”给T细胞。一旦T细胞记住了这一段蛋白序列，它将会在巨噬细胞所产生的生长因子的刺激下迅速分裂。
通过对免疫细胞的类型、功能及其分子机制的探究，我们已经得知这些免疫细胞，尤其是哺乳动物的免疫细胞均十分复杂并且存在相互联系，其功能有时甚至是多余的。这使得我们身体可以实现自体感染清除，并能及时处置大多数对生命体构成威胁的变异细胞。
