细胞癌变后，免疫系统常可识别其为异常，并在其复制或扩散前摧毁它。癌细胞可能完全被消除，这种情况下癌症永远不会出现。某些癌症更容易发生在免疫系统改变或受损的人群中，例如艾滋病患者、接受免疫系统抑制药物的人、患有某些自身免疫性疾病的人以及老年人（其免疫系统的作用不如年轻人）。免疫系统受损时更常发生的癌症包括黑色素瘤、肾癌和淋巴瘤。医生不确定为什么某些其它癌症，如肺癌、乳腺癌、前列腺癌和结肠癌，并没有更常发生于免疫系统功能低下的人群中。
肿瘤抗原
抗原是被人体免疫系统识别并靶向破坏的外来物质。抗原存在于所有细胞表面，但正常情况下免疫系统不会对自身细胞发生作用。当细胞变为癌性时，新抗原——免疫系统不熟悉——出现在了细胞表面。免疫系统可以辨识出这些新抗原，称为肿瘤抗原，并将这些新抗原视为异物而吞噬或破坏。这就是身体破坏异常细胞的机制，并在癌形成前破坏它。但是，即使是完全正常的免疫系统也不能破坏所有的癌细胞。而且，一旦癌细胞复制并形成了一个癌细胞肿块（一个癌性肿瘤），身体的免疫系统就不可能破坏它。
在多种癌症（包括黑色素瘤、乳腺癌、卵巢癌和肝癌）中已经确定了肿瘤抗原。由肿瘤抗原制备的疫苗可能通过刺激免疫系统而预防或治疗肿瘤。这种疫苗是一个引起极大研究关注的领域。
某些肿瘤抗原可以在血液中检测到。这些抗原有时被称作肿瘤标志物。某些肿瘤标志物的测量可以用作评估患者对治疗的反应性（见表某些肿瘤标志物）。
免疫检查点
即使免疫系统功能正常，癌症也可以逃过免疫系统的防护监视。
免疫系统通常不攻击正常细胞的原因之一是正常细胞的表面携带着蛋白质，该蛋白质向循环免疫细胞（T 细胞）发出信号，告知携带这些蛋白的细胞是正常的，不应受到攻击。这些被称为检查点蛋白。有时癌细胞能产生一种或多种检查点蛋白，从而逃脱攻击。称为检查点抑制剂的较新型癌症药物，可阻断癌细胞的假信号并使免疫系统攻击癌症。
