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病原体が上皮での防壁を突破し、微生物や毒性物質が生体内にうまく侵入できると、続いて生体内の自然免疫系(先天性免疫系)と対峙する。これは体液的・化学的・細胞的な防壁による宿主の保護機構である。白血球やリンパ球などの細胞や機構が動員されて宿主を守り、その際に通常は炎症反応が起きる。 この自然免疫応答は普通生体が微生物を構造パターン認識受容体で感知するときに発動する。この構造パターンは広い範囲の微生物グループの間で保存されている。 あるいは細胞は障害を受けると警戒シグナルを出す。それらの全てではないが多くは病原体を認識する同じ受容体によって感知される。 自然免疫系による防御は非特異的であり、病原体に対して包括的な応答を行う。つまり様々な病原体に対して別個に応答するのではなく常に汎用的な方法で対処するがゆえに、効力を発動するまでの時間が短く、いわば常に臨戦態勢にある。反面、獲得免疫系のような免疫記憶が無く、長期にわたって防御する仕組みではない。
自然免疫系は大部分の生物にとって宿主防御の主要な系であり、植物・菌類・昆虫・多細胞生物(哺乳類などの高等脊椎動物を除く)においては主要な防御システムである。 原始的な生命も持っており、進化的に古い防御方法であると考えられている。また、Toll様受容体、Nodタンパク質、RIG-I(病原微生物に対するセンサー)などの研究が20世紀末から進展し、自然免疫が高等動物にも存在するのみならず、獲得免疫が成立する前提として重要なメカニズムである(たとえばマクロファージや樹状細胞が病原体の存在により直接活性化される)ことが明らかとなった。
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NK細胞も同じように腫瘍性の細胞を殺滅し特にMHCクラスI分子が正常に比べ少なく発現されている腫瘍細胞に対して作用する。このことは腫瘍細胞では一般的な現象として見られることである。往々にして腫瘍細胞に対して抗体が産生され補体系にもそれらの細胞を破壊することが図られる。
明らかに腫瘍の中には免疫系をうまく逃れてがんに向かうものがある。腫瘍細胞はしばしば表面にMHCクラスI分子を発現する数が少ないので、細胞傷害性T細胞(CTL)による検出を免れる。また腫瘍細胞の中には免疫応答を阻害する産物を放出するものがあり、例えばサイトカインTGF-βを分泌するとマクロファージやリンパ球の活性が抑制される。加えて腫瘍細胞に対し免疫寛容が発達し免疫系が腫瘍細胞をもはや攻撃しないようにさせる場合もある。
逆説的だが、腫瘍細胞がマクロファージをおびき寄せるサイトカインを放出し、マクロファージはその後腫瘍細胞が成長するようなサイトカインと増殖因子を産生するような場合、マクロファージは腫瘍の増殖を促進できる。加えて腫瘍細胞における低酸素状態とマクロファージ産生のサイトカインの組合せは腫瘍細胞が転移をブロックするタンパク質を産生するのを減らし、がん細胞の広がりを助けることになる。
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