机体的免疫系统不仅攻击和消除细菌和其他外来物而且还有癌细胞。癌细胞不是外来细胞，而是一个生物学功能已改变的细胞，它对机体正常控制生长和繁殖的机制不发生反应。这些异常细胞能持续生长，导致癌症。
机体对癌的防御大部分由免疫系统细胞来直接承担而不是循环在血液中的抗体(见第167节)。例如，癌细胞上的肿瘤抗原的出现能激活某些白细胞(淋巴细胞和很少的单核细胞)，它们承担着免疫监视功能，寻找并破坏癌细胞。
免疫系统在控制细胞生长方面的关键作用通过一惊人的数据可以体现：在服用抑制免疫系统药物(如因为器官移植或风湿病)的病人中，癌症是正常免疫系统人群的100倍。另外，有时在移植之前，移植器官有一个未被诊断的癌症，这癌在器官供者身上一直慢慢生长或没有生长。但这癌症器官在移植到接受者身上后开始迅速生长和播散，接受者的免疫系统被为保护移植器官的药物所抑制，典型的是，当免疫抑制药停止，移植器官被排斥，移植癌也被破坏。
抗原是一种被机体免疫系统识别和作为破坏靶的外来物质(见第167节)。抗原在所有细胞的表面发现，但正常情况下人的免疫系统对自己的细胞不反应。当一个细胞变成癌细胞新的抗原，为免疫系统不熟悉的抗原出现在细胞表面，免疫系统可把这些新的抗原(称为肿瘤抗原)作为外来物并且可能吞噬或破坏癌细胞。但即使一个功能完全的免疫系统也不能破坏所有癌细胞。
肿瘤抗原在几种癌症被识别，包括恶性黑素瘤、骨癌(骨肉瘤)、和一些胃肠道癌症。患这些癌症的病人可能有针对这些肿瘤抗原的抗体。这些抗原通常不能激发出足够的免疫反应来控制癌症。机体似乎不能破坏癌且有时甚至还刺激癌的生长。
但某些肿瘤抗原能被运用于有益的一面。被一些癌症释放到血中的抗原能用血液试验检测出来。这些抗原有时被称为肿瘤标记物。主要兴趣已集中在肿瘤标记物能否在无症状癌症患者中作为筛查试验运用。因为这些试验既昂贵又不具特异性，至少在常规筛查方面目前还不提倡运用它们。相反，肿瘤标记物在癌症的诊断和治疗方面更有价值。例如，血液检测帮助判定一个癌症治疗是否有效。如果肿瘤标记物不在血标本中出现，治疗可能已成功。如果标记物消失后又出现，癌症可能已复发。
癌胚抗原(CEA)是在患有结肠癌、乳腺癌、胰腺癌、膀胱癌、卵巢癌或宫颈癌病人血液中发现的一种肿瘤抗原。这种抗原的水平高也可在吸烟多的人或患有肝硬化或溃疡性结肠炎的病人中发现。所以，高CEA水平不总是意味着一个人患有癌症。在已治疗过的病人中检测CEA水平可帮助医生判定是否复发。
甲胎蛋白(AFP)在肝癌(肝细胞癌)患者的血液中发现，正常情况下由胎儿肝细胞产生。甲胎蛋白也常常在某些卵巢癌和睾丸癌的病人以及患有松果体瘤的儿童和青年人中发现。
β-人绒毛膜促性腺激素(β-HCG)，在妊娠期间产生，作为妊娠试验基础，在患有源于胎盘的癌的妇女中以及患有各种类型的睾丸癌的男性中均可产生。β-绒毛膜促性腺激素是一种非常敏感的肿瘤标记物。它在监测治疗效果方面的运用，帮助提高了这些癌症的治愈率，达到95％以上。
前列腺特异抗原(PSA)水平在非癌性(良性)前列腺肥大的男性中升高并在前列腺癌的男性中明显增高。什么样的水平作为有意义的异常水平还不肯定，但一个PSA水平升高的男性应对前列腺癌作进一步诊断(见第229节)。癌症治疗后监测血中PSA能预示癌症是否复发。
血CA-125水平，另一种抗原，在患有各种各样卵巢疾病包括癌症的女性显著升高。由于卵巢癌常常较难诊断，一些癌症专家献身于妇女CA-125的筛查研究超过40年之久。但是，CA-125缺乏敏感性和特异性意味着它不是一个可靠的筛查试验。
CA-15-3水平升高发生在乳腺癌，CA-19-5升高发生在前列腺癌，β2-微球蛋白在多发性骨髓瘤升高，乳酸脱氢酶在睾丸癌升高，但没有一个能被建议为癌症筛查试验。不管怎样，它们在已被诊断为癌的病人监测治疗反应方面是有益的。
为改善免疫系统识别和破坏癌的功能，研究者们已生产出生物反应调节剂。这些物质运用于以下几方面：
·通过提高肿瘤杀伤细胞数量或产生一个或多个化学递质(传递介质)来刺激机体抗瘤反应。
·直接作为肿瘤杀伤物或化学递质。
·降低抑制免疫反应的机体正常机制。
·改变肿瘤细胞来增加促进免疫反应的可能或使肿瘤细胞更易被免疫系统破坏。
·提高机体对放射治疗(以下简称放疗)或化学治疗(简称化疗)的耐受力。
干扰素是最出名且最广泛应用的生物反应调节剂。几乎所有人体细胞都天然能产生干扰素，但也能通过重组分子生物学技术制造。虽然它的作用机制不完全清楚，但干扰素在几种癌症的治疗上是有用的。在大约30％的卡波西肉瘤病人、20％的年轻慢性髓性白血病患者和15％的肾母细胞瘤病人中有较好的疗效反应(包括某些治愈)。另外，干扰素延长了完全缓解的多发性骨髓瘤和一些淋巴瘤患者的无瘤生存期。
杀伤细胞治疗，一些从癌症患者血液样本中分离出来的自身淋巴细胞(一种白细胞)。在实验室，这种淋巴细胞与一种称为白介素-２(一种T细胞生长因子)接触产生淋巴因子激活的杀伤细胞(LAK细胞)，然后静脉回输给病人。这些细胞比机体天然的细胞更能识别和破坏癌细胞。虽然大约25％～50％的恶性黑素瘤和肾癌病人对LAK细胞治疗反应好，但这种形式的治疗还处在实验室阶段。
体液(抗体)治疗提高机体的抗体生成。如像减毒(稀释)结核杆菌提取物已试用于一些癌症，据了解它们增加免疫反应。直接将结核杆菌注入黑素瘤几乎总是引起癌块消退。偶尔这种效果延伸至已播散至机体其他部位(转移)的肿瘤。医生们已成功地用结核杆菌来控制尚未侵入膀胱壁的膀胱癌。
另外的实验进展是把肿瘤特异性抗体与抗癌药相联合。这些抗体在实验室合成后注入人体，引导抗癌药到达癌细胞。
除此之外，在实验室制造的抗体能粘附癌细胞和杀伤性淋巴细胞，使两种细胞粘在一起，这样杀伤性淋巴细胞就能破坏癌细胞。但这项研究还没能广泛应用于癌症治疗。
最近的研究为新的治疗带来希望，其中一些研究应用了癌基因片段，这些片段在细胞调节和生长方面较重要。