机体的免疫系统由免疫器官和组织、免疫细胞与免疫分子所组成。免疫系统的基本功能是识别自身和非己抗原，对自身耐受，对非己清除，以维持内环境的稳定，表现为免疫防御、免疫自稳和免疫监视三大功能。
研究发现，天然胡萝卜素能增强生物机体的特异性及非特异性免疫功能。
天然胡萝卜素与非特异性免疫功能
嗜中性粒细胞是血液中一种重要的白细胞，是细胞防卫系统的第一道防线。在免疫过程中，嗜中性粒细胞以自由基和活性氧分子作为杀伤入侵病原体的武器。但在某些情况下，自由基的产生可能过量，从而引起白细胞及邻近细胞和组织的损伤。嗜中性粒细胞功能的丧失会引起许多非病原微生物的慢性感染。未被控制的糖尿病患者、化疗的癌症患者，以及患免疫缺陷病的人常有假丝酵母的慢性感染。研究表明，当把人体嗜中性粒细胞在含天然胡萝卜素和假丝酵母的条件下温育时，假丝酵母被有效杀死，而嗜中性粒细胞不被自由基损伤或破坏。如果在温育条件中缺少天然胡萝卜素，则嗜中性粒细胞被自身氧化产生的产物损伤。同时，天然胡萝卜素也可以保护周围的宿主细胞免受嗜中性粒细胞无意的、不加区分的损伤。
入侵的细菌本身所含的天然胡萝卜素对于细菌也有抗氧化损伤的保护作用。例如巨噬细胞能杀死无色细菌，而那些含天然胡萝卜素的细胞能中和巨噬细胞的氧化产物，防止氧化损伤。
天然胡萝卜素与特异性免疫功能
除嗜中性粒细胞外，免疫系统还有抵御特殊病原体感染的能力，即细胞介导的免疫应答。参与细胞介导免疫应答的主要细胞包括T和B淋巴细胞及巨噬细胞。T和B淋巴细胞对特异病原体和接种物具有记忆能力。当病原体入侵时，免疫反应就建立起来。细胞介导的特异性免疫反应能防止病毒、细菌、真菌及寄生虫的感染。此外，免疫系统的某些细胞还具有识别、杀死（排斥）外源细胞及肿瘤细胞的能力，如自然杀伤细胞在体内循环并具有杀死肿瘤细胞和各种感染性细胞的功能。巨噬细胞、细胞毒性T淋巴细胞和自然杀伤细胞是抗肿瘤的重要细胞。
巨噬细胞
巨噬细胞膜受体参与抗原的识别并向T和B细胞提供抗原，分泌多种化学介质如干扰素、肿瘤坏死因子、前列腺素等，使巨噬细胞提供肿瘤抗原的能力增强。而肿瘤细胞可产生免疫阻遏物，抑制巨噬细胞的功能。最近，体外试验指出，视黄酸、视黄醇同样抑制干扰素诱导的巨噬细胞活性。如果在培养物中加入天然胡萝卜素可使这种抑制逆转。在炎症过程中引起的氧损伤可使巨噬细胞膜受体数目减少，而体外试验证明，天然胡萝卜素和角黄素一起作用能抑制活性氧中间产物引起的巨噬细胞膜受体的丢失。
辅助性T淋巴细胞
随着淋巴细胞增殖，T细胞分化为成熟的效应细胞，而辅助性T细胞是其中一类效应细胞，它辅助B细胞分泌特异抗体应答抗原刺激。研究结果表明，青年男性服用高剂量天然胡萝卜素（180毫克／日，14天）后，其循环的辅助性T细胞量明显增加。辅助性T细胞数目的增加对于艾滋病患者是有益的，因为这类细胞是艾滋病病毒感染和攻击的靶细胞。因此，用天然胡萝卜素辅助治疗艾滋病可能有一定价值。
自然杀伤细胞的细胞毒性
初步实验结果表明，含自然杀伤细胞的人体外周血细胞与天然胡萝卜素一起温育和不与天然胡萝卜素一起温育相比，前者的自然杀伤细胞能溶解更多的肿瘤细胞。