La resposta immunitària cel·lular és realitzada bàsicament pels limfòcits T, és a dir els limfòcits que, partint de la medul·la òssia en la primera època de la vida, es diferencien i maduren dins el tim. En realitat, es diferencien diversos tipus de limfòcits T. Les funcions d’alguns són actualment ben conegudes, mentre que les d’altres no han estat del tot determinades.
Els limfòcits T4, per exemple, compleixen diversos papers primordials en la resposta immunitària, ja que són els que la inicien. Realment, l’activitat específica de cada limfòcit ja està determinada d’ençà de la diferenciació, en la primera època de la vida, moment en què cada limfòcit es prepara per reconèixer únicament un antigen, ja que de la superfície cel·lular sorgeixen uns receptors específics capaços d’acoblar-se únicament a una molècula antigènica determinada; tots els limfòcits que se’n deriven constitueixen un clon, és a dir, un conjunt de cèl·lules immunitàries amb la mateixa especificitat. Tot i la ingent quantitat de possibles antígens, també hi ha una elevada quantitat de limfòcits específics, que circulen per l’organisme en una proporció mínima. Molts d’ells mai no arribaran a establir contacte amb l’antigen específic en tota la vida. D’altres, però, en algun moment se’l trobaran, a partir d’una infecció determinada: en aquest moment, els limfòcits específics activats maduraran, es reproduiran i duran a terme la seva missió, i fins i tot n’hi haurà que es transformaran en cèl·lules de memòria, que des d’aleshores circularan constantment per tot l’organisme tractant de detectar-hi novament l’antigen i procurant-hi una resposta immunitària ràpida i eficaç.
En realitat, els limfòcits T4 no poden reconèixer directament l’antigen, sinó que necessiten l’ajut d’altres cèl·lules immunitàries que prèviament processin l’antigen i el presentin als limfòcits; aquestes cèl·lules es denominen genèricament cèl·lules presentadores d’antígens. Les cèl·lules presentadores d’antígens són leucòcits que es troben sobretot a la pell i als teixits limfoides. Les de la pell són les denominades cèl·lules de Langerhans, que capturen els antígens i, desplaçant-se pels vasos limfàtics, arriben als ganglis limfàtics pròxims i els ofereixen als limfòcits; en altres casos, les cèl·lules presentadores d’antígens són macròfags localitzats als mateixos ganglis imfàtics macròfags localitzats als mateixos ganglis limfàtics, disposats a capturar els antígens drenats de tots els teixits amb la limfa. En tot cas, aquestes cèl·lules en primer lloc capturen l'antigen en qüestió i el coloquen en la pròpia supertície externa, perquè pugui entrar en contacte amb els receptors específics dels limfòcits T4 que circulen per la zona. Aquests limfòcits només reconeixen una molecula antigènica quan és present en la superfície de la cèlula presentadora, en unió a un antigen propi, una molècula del grup dels denominats antígens d'histocompatibilitat. A més, la cèl·lula presentadora d'antigen secreta una substància, la interleucina-1, que estimula l'activitat dels limfòcits especifics pròxims contra l'antigen en qüestió. En aquestes circumstàncies, alguns dels limfòcits T4 activats, ara coneguts per limfocits T4 cooperadors, també secreten una altra substància, la interleucina-2, capaç d'estimular el creixement dels limfòcits que disposen en la superficie de receptors capaços de combinar-se amb l'antigen en qüestió i que hi hagin estat en contacte. De fet, les substàncies estimuladores són inespecífiques; però com que tenen un radi d'acció curt i una vida efímera, només estimulen aquells limfòcits que han interactuat amb l'antigen en aquesta regió, la qual cosa els fa sensibles a la interleucina-2. D'aquesta manera es posa en marxa la resposta immunitària celular.
Els limfòcits T citotòxics, que tant poden correspondre a limfòcits T4 com a limfòcits T8, tenen per missió essencial una acció destructiva directa contra els elements estranys, especialment cel·lulars. Sembla, tanmateix, que la principal funció d'aquestes cèl·lules és d'actuar contra cèlules pròpies infectades per virus, cèl·lules que presenten en la superfície l'antigen en qüestió, per la qual cosa el limfòcit s'hi unirà i intentarà destruir-les mitjançant diversos mecanismes, alguns dels quals encara romanen obscurs. Per exemple, així que s'uneix a la cèl·lula portadora de l'antigen —denominada genèricament cèl·lula diana—, el limfòcit T citotòxic allibera unes molècules proteiques —les poroperforines— que produeixen veritables forats en la membrana cel·lular; com a conseqüència, es produeix una entrada massiva de líquid a l’interior de la cèl·lula atacada, que s’infla fins que es destrueix. Un altre mecanisme és la denominada apoptosi, recurs propi dels limfòcits T citotòxics i de les cèl·lules NK; en aquest cas, per factors no ben dilucidats, així que la cèl·lula immunitària s’adossa a la cèl·lula diana, hi activa uns enzims nuclears, les endonucleases, que en fragmenten el ADN, alterant l’activitat metabòlica i, en última instància, provocant la destrucció cel·lular.
D’altra banda, els limfòcits T cooperadors que han estat activats en primera instància secreten diverses substàncies al seu entorn, les genèricament denominades limfocines, destinades a estimular l’activitat d’altres cèl·lules immunitàries. Per exemple, mitjançant l’alliberament de la substància anomenada factor d’activació dels macròfags, estimulen la funció fagocitòtica d’aquestes cèl·lules, que actuen intensament contra tot germen present a la zona. També secreten d’altres limfocines, com les anomenades factors de creixement i diferenciació dels limfòcits B, que inicien la resposta immunitària humoral de què els anticossos són intermediaris.