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自然杀伤细胞（natural killer cell，NK cell）具有淋巴细胞的形态，在分化上属于淋巴细胞谱系，但不表达T、B细胞特有的抗原识别受体TCR和BCR。其形态学特点为胞质中富含嗜苯胺颗粒，故NK细胞又被称为大颗粒淋巴细胞（large granular lymphocyte，LGL）。NK细胞是具有直接杀伤靶细胞效应的一类淋巴细胞，其对靶细胞的杀伤作用表现为速发效应，无需抗原预先致敏，无MHC限制性，所以被称为自然杀伤细胞。NK细胞在免疫应答的早期即可发挥作用。
NK细胞由骨髓造血干细胞分化发育而来，包括NK细胞前体细胞、未成熟NK细胞和成熟NK细胞三个分化阶段，其分化依赖于骨髓微环境，不依赖于胸腺。NK细胞主要分布于外周血（占淋巴总数的5%～15%）、脾脏、肝脏和淋巴结，骨髓和胸腺中也有不同程度的分布。人类肝脏中含有大量的NK细胞，可达肝脏淋巴细胞总数的50%，但其机制和生物学意义目前尚不清楚。
NK细胞体积较大、直径为10～16μm，形态上具有异质性。NK细胞表面标志多为其他免疫细胞所共有，缺少特征性的标志。目前仍将CD3 - CD56 + 作为人类NK细胞表面的专一性标志。
根据CD56表达密度不同，可将NK细胞划分为CD56 bright 和CD56 dim 两个亚群。CD56 dim NK亚群占外周淋巴细胞的90%，以发挥杀伤功能为主。CD56 bright NK亚群占外周淋巴细胞的10%，活化后以分泌细胞因子（如IFN-γ、IL-10、TNF-β、GM-CSF等）为其主要功能。
人类外周血NK细胞大多数为CD27 lo NK，属CD56 dim NK。CD27 hi NK既含CD56 bright NK，又含CD56 dim NK，但以CD56 bright NK为主。
法国学者Vivier提出以CD122、NKp46和抑制性NK受体（inhibitory NK receptor，iNKR）（人：KIR；鼠：Ly49）为标志可将人和小鼠NK细胞的发育划分为三个阶段，即前体阶段（CD122 + NKp46 - iNKR - ）、未成熟阶段（CD122 + NKp46 + iNKR - ）和成熟阶段（CD122 + NKp46 + iNKR + ）。成熟阶段 NK细胞又可根据CD107a的表达分为CD107a hi NK和CD107a low NK。
分为两个亚群：分泌IFN-γ为主的NK1和分泌IL-13和IL-5为主的NK2。
妊娠期间，人类子宫蜕膜层含有大量NK细胞，其主要为CD56 bright CD16 - NK细胞亚群，同时表达CD9和CD103，表达一种或多种KIR分子。这些细胞可以与外周血CD56 bright CD16 - NK细胞亚群一样表达NKp46、LFA-1、NKG2D和NKp44等与杀伤相关的分子，但其细胞毒功能并不强。蜕膜NK细胞的特有表型和功能可能与孕期子宫局部微环境有关。这群NK细胞可能是在外周血CD56 bright CD16 - NK细胞通过趋化因子等作用招募至子宫局部；也可能是在子宫蜕膜局部发育分化而来，因为在子宫蜕膜层中发现由CD34 + 造血干细胞向CD56 bright 发育分化的途径，提示子宫在NK发育分化的特有作用。
在肝脏中，NK细胞约占肝脏淋巴细胞的50%，其表型为CD56 dim CD16 - ，类似于脐带血NK细胞，但其意义尚不清楚。有研究显示，在HBV感染的患者肝脏中，该类细胞大量出现，推测可能与清除病毒感染细胞有关。
黏膜是机体防御病原体入侵的第一道防线。开放的黏膜环境存在多种抗原刺激，决定了天然免疫在黏膜免疫中的重要地位。在人的黏膜免疫系统中存在一群CD56 + NKp44 + 的NK细胞，其以分泌IL-22为主要功能，同时还分泌IL-26、LIF等多种黏膜免疫相关细胞因子，但不分泌IL-17，因此这群细胞被命名为 NK-22。人 NK-22细胞的标志确定为CD56 + CD127 + RORγt + ，可表达NKp44、NKp30和NKp46，低表达颗粒酶 A和穿孔素，不表达NKG2D、KIR2DL2-KIR2DL3和CD94，其表型类似于不成熟NK细胞。
NK细胞作为固有免疫系统中的主要成员，在机体免疫监视和早期抗感染免疫过程中发挥着重要的作用。NK细胞可直接杀伤病毒感染细胞和肿瘤细胞，而对机体正常自身细胞则无毒性作用，表明其具有识别正常和异常组织细胞的能力。NK细胞不表达抗原特异性识别受体，其识别功能主要取决于细胞表面表达的杀伤功能相关的调节性受体。
NK细胞表面表达十分复杂的受体谱，并以此来识别正常和异常的细胞，调控NK细胞的活化、增殖和功能。NK细胞受体主要分为五类：抑制性受体、活化性受体、黏附分子受体、细胞因子受体和趋化因子受体。
主要包括三类。
杀伤细胞免疫球蛋白样受体（killer cell immunoglobulin-like receptor，KIR）属免疫球蛋白超家族成员，为Ⅰ型跨膜蛋白。膜外区分别有2个或3个免疫球蛋白样结构域，称为KIR2D和KIR3D。依据KIR胞内区长短可分为“长尾”（longer，L型）型和“短尾”（shorter，S型）型。其中拥有长胞质段的KIR2DL和KIR3DL（胞内段含有免疫受体酪氨酸抑制基序，ITIM）可介导抑制信号，抑制NK细胞的杀伤活性。S型胞内区缺乏ITIM，但跨膜区具有带正电荷的赖氨酸，能与胞内区含ITAM的DAP-12分子结合，从而使这些受体获得传递活化信号的功能。
属C型凝集素家族成员，是由Ⅱ型膜分子CD94和NKG2家族的NKG2A和NKG2B通过二硫键共价结合组成的异二聚体。NKG2A和NKG2B胞质区含有2个ITIM，可介导抑制信号。CD94主要起分子伴侣作用。
胞外含有杀伤细胞免疫球蛋白样功能区，胞内段含2个ITIM。
根据其配体的特点，活化性受体主要分为三类。
包括属于KIR家族的KIR2DS/KIR3DS（S：短尾型）和属于KLR家族的CD94/NKG2C/E。活化性受体胞质区既无ITIM也无免疫受体酪氨酸活化基序（immunoreceptor tyrosine-based activation motif，ITAM），但其跨膜区含带电荷的赖氨酸，可募集含ITAM的分子（如DAP-12和FcR等）介导NK细胞活化。
以NKG2D为代表，该分子属于NKG2家族，但不与CD94结合。其本身无信号转导功能，但能与胞质区含ITAM基序的DAP10结合而转导活化信号。NKG2D的配体是人MHC-Ⅰ类链相关基因产物（MICA、MICB）和UL-16结合蛋白。
主要包括自然细胞毒性受体（natural cytotoxicity receptor，NCR）和一些辅助性受体。NCR成员包括NKp46、NKp30和NKp44三类分子。目前已发现NKp46和NKp44可识别流感血凝素等分子，NKp30可识别肿瘤细胞表达的B7-H6分子。
主要有CD2、CD226、β1整合素和β2整合素等。其中NK细胞可通过CD226分子介导对肿瘤细胞的杀伤。
如IL-15R、IL-2R等，对NK细胞发育和功能起重要作用。
静息状态下，CD56 dim CD16 + NK表达 CXCR1、CXCR2、CXCR3、CXCR4和CX3CR1，CD56 bright CD16 - NK表达CCR5和CCR7。这些趋化因子受体与其配体相互作用，调控着NK细胞向不同组织中迁移和募集，继而发挥生物学功能。
1.正常情况下，机体细胞表面表达自身的MHC-Ⅰ类分子，NK细胞能通过表面的抑制性受体识别自身的MHC-Ⅰ类分子转导抑制性信号，从而抑制NK细胞的活化，防止NK细胞对机体正常细胞的攻击。
2.病理条件下，如病毒感染细胞和肿瘤细胞表面 MHC-Ⅰ类分子表达下降、缺失，或由于MHC-Ⅰ类分子结构发生异常，抑制性受体不能识别这些细胞表面表达的Ⅰ类分子，无法转导抑制信号，导致NK细胞接受活化性信号而被激活，从而发挥杀伤功能。
3.对于完全不表达MHC-Ⅰ类分子的靶细胞，NK细胞主要依赖非MHC-Ⅰ类分子特异性受体（包括NCR和NKG2D）发挥杀伤作用。
4.在母胎耐受方面，滋养层细胞表面表达的HLA-G可与母体NK细胞表面表达的抑制性受体结合，从而参与维持母胎耐受。
病毒感染后，首先刺激非特异性免疫细胞（如吞噬细胞）产生IFN-α/β、TNF-α和IL-12等。一般在病毒感染2～3天后，NK细胞可通过趋化作用聚集至感染病灶，在上述细胞因子作用下，NK细胞活化，并发挥杀伤功能，使病毒感染细胞崩解破坏。活化的NK细胞能通过分泌IFN-γ和TNF-α等细胞因子，干扰病毒复制和进一步活化吞噬细胞，增加抗感染免疫的能力。NK细胞还参与清除胞内寄生菌，如分枝杆菌、李斯特菌和利什曼原虫等。此外，NK细胞能直接杀灭真菌，也可通过分泌大量TNF、IFN-γ和GMCSF活化中性粒细胞继而发挥抗真菌作用。
NK细胞的杀瘤谱较广，可通过与肿瘤细胞的直接接触而发挥作用，也可通过ADCC效应，杀伤被IgG包被的肿瘤细胞。
NK细胞可作为一种调节细胞，通过细胞-细胞间的相互作用和分泌TNF、IFN-γ和GM-CSF等细胞因子的方式，对机体免疫功能进行调节，发挥机体早期抗感染免疫能力和免疫监视作用。