同體液免疫一樣，細胞免疫的產生也分為感應、反應和效應三個階段。其作用機制包括兩個方面：⑴致敏T細胞的直接殺傷作用。當致敏T細胞與帶有相應抗原的靶細胞再次接觸時，兩者發生特異性結合，產生刺激作用，使靶細胞膜通透性發生改變，引起靶細胞內滲透壓改變，靶細胞腫脹、溶解以致死亡。致敏T細胞在殺傷靶細胞過程中，本身未受傷害，可重新攻擊其他靶細胞。參與這種作用的致敏T細胞，稱為殺傷T細胞。⑵通過淋巴因子相互配合、協同殺傷靶細胞。如皮膚反應因子可使血管通透性增高，使吞噬細胞易于從血管內游出；巨噬細胞趨化因子可招引相應的免疫細胞向抗原所在部位集中，以利于對抗原進行吞噬、殺傷、清除等。由于各種淋巴因子的協同作用，擴大了免疫效果，達到清除抗原異物的目的。
在抗感染免疫中，細胞免疫主要參與對胞內寄生的病原微生物的免疫應答及對腫瘤細胞的免疫應答，參與遲發型變態反應和自身免疫病的形成，參與移植排斥反應及對體液免疫的調節。也可以說，在抗感染免疫中，細胞免疫既是抗感染免疫的主要力量，參與免疫防護；又是導致免疫病理的重要因素。
T細胞是細胞免疫的主要細胞。其免疫源一般為：寄生原生動物、真菌、外來的細胞團塊（eg：移植器官或被病毒感染的自身細胞）。細胞免疫也有記憶功能。