人群中结核分枝杆菌的感染率较高，但发病的概率相对较低，表明人体对结核分枝杆菌有较强的抵抗力。感染结核分枝杆菌或接种卡介苗后，机体可产生对该菌的特异性免疫力，因结核分枝杆菌是胞内感染菌，因此主要以细胞免疫为主，此种免疫力的维持，依赖于结核分枝杆菌在体内的存在，这种免疫称感染免疫（infection immunity），或称有菌免疫，一旦体内结核分枝杆菌或其组分全部消失，免疫力也随之消失。被结核分枝杆菌致敏的T淋巴细胞再次接触该菌的相应抗原时，可释放多种细胞因子，如IL-2、TNF-α和IFN-γ等，吸引NK细胞、T细胞、巨噬细胞等聚集炎症部位，并增强这类细胞直接或间接的杀菌活性。

机体对结核分枝杆菌可产生抗体，如结核病人血清中抗结核分枝杆菌蛋白的特异性IgG水平明显升高，但其对机体的免疫保护作用尚不明确。

在结核分枝杆菌感染时，细胞免疫与迟发型超敏反应同时存在。此种情况可用科霍现象（Koch’s phenomenon）说明。近年来研究表明结核分枝杆菌诱导机体产生免疫和超敏反应的物质不同。超敏反应主要由结核菌素蛋白和蜡质D共同引起，而免疫则由结核分枝杆菌核糖体RNA（rRNA）引起。通过测定机体对结核分枝杆菌有无超敏反应即可判断有无特异性免疫力。