TNF在體內、體外均能殺死某些腫瘤細胞，或抑制增殖作用。腫瘤細胞株對TNF-α敏感性有很大的差異，TNF-α對極少數腫瘤細胞甚至有刺激作用。用放線菌素D、絲裂霉素C、放線菌酮等處理腫瘤細胞（如小鼠成纖維細胞株L929）可明顯增TNF-α殺傷腫瘤細胞活性。體內腫瘤對TNF-α的反應也有很大的差異，與其體外細胞株對TNF-α的敏感性并不平行。同一細胞系可能有敏感株和抵抗株如L929-S和L929-R。此外，靶細胞內源性TNF的表達可能會使細胞抵抗外源性TNF的細胞毒作用，因此通過誘導或抑制內源性TNF的表達可改變細胞對外源性TNF的敏感性。巨噬細胞結合型TNF可能參與對靶細胞的殺傷作用。
TNF殺傷腫瘤的機理還不十分清楚，與補體或穿孔素殺傷細胞相比，TNF殺傷細胞沒有穿孔現象，而且殺傷過程相對比較緩慢。TNF殺傷腫瘤組織細胞可能與以下機理有關。
1、直接殺傷或抑制作用。TNF與相應受體結合后向細胞內移，被靶細胞溶酶體攝取導致溶酶體穩定性降低，各種酶外泄，引起細胞溶解。也有認為TNF激活磷脂酶A2，釋放超氧化物而引起DNA斷裂，磷脂酶A2抑制劑可降低TNF的抗病效應。TNF可或改變靶細胞糖代謝，使細胞內pH降低，導致細胞死亡。
2、通過TNF對機體免疫功能的調節作用，促進T細胞及其它殺傷細胞對腫瘤細胞的殺傷。
3、TNF作用于血管內皮細胞，損傷內皮細胞或導致血管功能紊亂，使血管損傷和血栓形成，造成腫瘤組織的局部血流阻斷而發生出血、缺氧壞死。