Các đại thực bảo đã xác định được một khối tế bào ung thư (cái đám lớn, nhiều "gai" tua tủa). Khi dung hợp với tế bào ung thư, các đại thực bào (tế bào màu trắng nhỏ hơn) tiết chất độc giết chết tế bào khối u. Liệu pháp miễn dịch để điều trị ung thư là một lĩnh vực nghiên cứu sôi nổi của y khoa.[94]

Một vai trò quan trọng khác của hệ thống miễn dịch là xác định và loại bỏ khối u. Đây được gọi là giám sát miễn dịch. Các tế bào chuyển dạng của các khối u sẽ biểu hiện các kháng nguyên không tìm thấy trên các tế bào bình thường. Đối với hệ thống miễn dịch, các kháng nguyên này là ngoại lai, sự hiện diện của chúng làm các tế bào miễn dịch tấn công các tế bào khối u chuyển dạng. Các kháng nguyên biểu hiện bởi các khối u có nhiều nguồn,[95] một số xuất phát từ các virus gây ung thư như papillomavirus ở người, gây ra ung thư cổ tử cung,[96] trong khi ở một số khác thì do sai khác về nồng độ protein, thường là tế bào khối u với nồng độ protein cao đột biến. Một ví dụ là một enzyme được gọi là tyrosinase (điều khiển tổng hợp sắc tố melanin), khi biểu hiện ở mức cao, sẽ chuyển dạng một số tế bào da (ví dụ như tế bào hắc tố) thành các khối u ác tính (ung thư hắc tố).[97][98] Một nguồn tiềm năng thứ ba của các kháng nguyên khối u, là các protein bình thường quan trọng điều chỉnh sự tăng trưởng và sống sót của tế bào, thường đột biến thành các phần tử gây ra ung thư gọi là gen sinh ung thư.[95][99][100]

Phản ứng chính của hệ thống miễn dịch đối với các khối u là tiêu hủy các tế bào bất thường bằng cách sử dụng các tế bào T độc, đôi khi với sự trợ giúp của các tế bào T hỗ trợ.[98][101] Các kháng nguyên khối u được trình diện trên các phân tử MHC I loại tương tự như các kháng nguyên virus. Điều này cho phép các tế bào T độc nhận ra tế bào khối u là bất thường.[102] Các tế bào giết tự nhiên cũng triệt hạ các tế bào ung thư một cách tương tự, đặc biệt nếu các tế bào khối u có ít MHC lớp I trên bề mặt của chúng hơn bình thường; đây là một hiện tượng phổ biến với các khối u.[103] Đôi khi các kháng thể được tạo ra để chống lại tế bào khối u, cho phép chúng phá huỷ bởi hệ thống bổ thể.[99]

Có một điều rất rõ ràng, một số khối u trốn thoát hệ thống miễn dịch và tiến đến trở thành bệnh ung thư.[104][105] Các tế bào khối u thường có một lượng giảm các phân tử MHC lớp I trên bề mặt của chúng, do đó tránh phát hiện bởi các tế bào T độc.[102][104] Một số tế bào khối u cũng giải phóng các sản phẩm ức chế đáp ứng miễn dịch; ví dụ bằng cách giải phóng cytokine TGF-β, làm ức chế hoạt động của các đại thực bào và lymphocyte.[104][106] Ngoài ra, dung nạp miễn dịch có thể phát triển chống lại kháng nguyên khối u, do đó, hệ thống miễn dịch không còn tấn công các tế bào khối u [104][105]

Rất nghịch lý là, các đại thực bào có thể thúc đẩy phát triển khối u [107] khi tế bào khối u phát ra các cytokine thu hút các đại thực bào, sau đó tạo ra các cytokine và các yếu tố tăng trưởng như yếu tố hoại tử khối u-alpha (TNF-alpha) nuôi dưỡng sự phát triển khối u hoặc tăng sự dẻo dai của tế bào giống tế bào gốc[104] Ngoài ra, sự kết hợp của giảm ôxy trong khối u và cytokine do các đại thực bào tạo ra làm cho các tế bào khối u giảm sản xuất một protein ngăn chặn di căn và do đó giúp phát tán các tế bào ung thư.[104]