黏膜免疫系统具有独特的结构和功能。黏膜表面是与外界抗原直接接触的门户，大部分病原体是经黏膜感染，因此黏膜免疫是机体抵抗感染的第一道防线。机体每天接受大量微生物和食物抗原的刺激，发生不同性质的反应（免疫应答或免疫耐受）。

黏膜上皮组织主要是由不同形态和功能的黏膜上皮细胞构成。在肠道黏膜上皮组织内有特化的M细胞存在。

黏膜上皮细胞能分泌黏液，阻止微生物黏附于上皮；呼吸道的上皮纤毛运动和肠蠕动易于清除感染因素；肠上皮细胞间紧密连接，可阻止一定直径大小的抗原的进入。胃内的酸性环境构成了抵抗感染的化学屏障。黏膜上皮细胞能分泌抗微生物肽和溶菌酶类等物质，杀伤病原微生物，对单核细胞、T细胞和B细胞有趋化作用。黏膜上皮表面存在栖息微生物群，与病原性微生物竞争细胞上的结合部位共同阻止病原性微生物的黏附感染。黏膜上皮细胞能分泌炎症性和调节性细胞因子，具有促肠道炎症作用，调节黏膜局部T细胞的增殖与活化和B细胞的免疫球蛋白的合成。黏膜上皮细胞也有表达细胞因子受体与相应细胞因子作用，从而介导黏膜局部细胞（如T细胞和B细胞）间的相互作用。

跨细胞运送作用是黏膜上皮细胞的一种特殊的生理性屏障功能，该功能是细胞通过内吞作用摄取腔道黏膜表面的分子和颗粒成分，然后将这些分子或颗粒以囊泡形式转运到细胞基底面，再释放到细胞外空间，或将细胞基底面的蛋白分子以同样的方式转运到黏膜表面释放到黏液中，此过程称为胞吞转运（transcytosis）。单向运送分泌型免疫球蛋白A（secretory immunoglobulin A; SIgA）从细胞基底面到黏膜面，并释放到黏液中。免疫球蛋白G（IgG）的转运是双向性的，既可从基底侧转运到黏膜侧，也可从黏膜侧转运到基底侧。存在于肠黏膜上皮层内的M细胞可以将肠腔内的抗原物质从黏膜侧转运到基底侧，供抗原呈递细胞处理和提呈递给T细胞识别。

黏膜上皮细胞表达的模式识别受体，如Toll样受体（Toll-like receptor; TLR）。不同类型的TLR识别不同的微生物成分，如TLR2识别革兰氏阳性细菌的肽聚糖、TLR3识别病毒双链RNA、TLR4识别革兰阴性细菌脂多糖、TLR5识别细菌鞭毛素和TLR9识别微生物胞嘧啶-磷酸-鸟嘌呤（CpG DNA）基序等，发挥免疫监视作用。

黏膜相关淋巴组织包括肠道相关淋巴组织（扁桃体、增殖腺、阑尾、小肠的派尔集合淋巴结和大肠及直肠的孤立的淋巴滤泡）、呼吸道的鼻咽相关淋巴组织和支气管相关淋巴组织。

黏膜免疫系统除含有与外周免疫系统表型相同的普通CD4^＋或CD8^＋TCRαβ T细胞，还有大量与之不同的其他表型亚群。黏膜局部多数表达为效应性和记忆性T细胞表型。在肠道黏膜，淋巴细胞主要分布于上皮层（epithelial layer）和固有层（lamina propria; LP）。肠道黏膜上皮层内的淋巴细胞称为肠上皮内淋巴细胞（intraepithelial lymphocyte; IEL），含有CD4⁺CD8^-IEL和CD4⁺CD8⁺IEL亚群、CD8aaTCRab IEL和CD8aaTCRγδIEL、CD8baTCRab IEL等亚群。黏膜上皮内还存在自然杀伤细胞（natural killer cell; NK）细胞和NKT细胞。固有层内含有散在的淋巴细胞和器官化的集合淋巴结，如派尔集合淋巴结（Peyer's patches; PP）。PP的生发中心内存在大量IgA⁺B细胞。

SIgA是黏膜局部的主要同种型抗体。一个70千克的个体，大约每天产生8克的Ig，其中5克是IgA。黏膜局部IgA的量占总IgA的50%～70%。人类IgA有两个亚类，即IgA1和IgA2。 肠道黏膜分泌物中则以IgA2亚类为主，约占60%。血清中主要是以单体形式存在IgA1；分泌物中主要是以二聚体结合一个分泌成分（secretory component; SC）形式存在的IgA2，即SIgA。SIgA是由肠道、呼吸道和泌尿生殖道黏膜上皮下淋巴滤泡内浆细胞合成，借助一种IgA特异性Fc受体（细胞膜表面能与IgFc片段结合的受体），称多聚-IgA 受体（poly-IgA receptor; poly-IgAR），穿过黏膜上皮细胞分泌到腔道黏液内，发挥免疫学效应。