Die zu den Leukozyten gehörenden Natürlichen Killerzellen (NK-Zellen) sind Teil des angeborenen Immunsystems beim Menschen. Gebildet werden die Natürlichen Killerzellen aus lymphatischen Vorläuferzellen im Knochenmark. Ihre Aufgabe besteht in der Einleitung des Programmierten Zelltods (Apoptose) bei entarteten Tumorzellen, sowie Zellen, die von viralen Erregern befallen wurden.

Im Gegensatz zu T-Lymphozyten erkennen NK-Zellen die körperfremden Zellen nicht über Antigene. In der Zellmembran der Natürlichen Killerzellen sitzen spezielle, genetisch festgelegte, Rezeptoren zur Erkennung von Peptidketten, sodass Signalproteine von eigenen Körperzellen nicht zur Aktivität der Killerzelle führen. Diese genetisch-determinierten Proteine sind unter dem Begriff der MHC-Moleküle bzw. des Haupthistokompatibilitätskomplexes bekannt.
In der Zellmembran befinden sich aktivierende- und inhibitorische Rezeptoren. Nur eine Zelle mit fremden Signalproteinen aktiviert die NK-Zelle. Interleukine und Interferone können die Aktivität zusätzlich beeinflussen.

Natürliche Killerzellen sind für das Immunsystem unverzichtbar. Da sie nicht über Antigenrezeptoren binden, erkennen die NK-Zellen mutierte Zellen, die von den T-Lymphozyten nicht erkannt wurden, z.B. weil die Antigene auf der Zellmembran unverändert bleiben. Sowohl Tumorzelle, als auch eine mit Viren befallene Zelle, produziert allerdings unvermeidlich körperfremde Signalproteine. In diesem Zusammenhang wird regelmäßig die Missing-self-Hypothese angeführt. Diese besagt, dass die NK-Zelle bei einer körpereigenen Zelle die Apoptose nur einleitet, wenn etwas typisches (genetisch-determiniert) in der Peptidkette auf der Zelloberfläche fehlt, und nicht, weil etwas durch die Zellmutation hinzugekommen ist bzw. deren Struktur verändert hat. Das ist gegenüber der Erkennung von Antikörper und Antigen, der genau umgekehrte Mechanismus zur Erkennung von fremden Zellen. Auf diese Weise ist das Immunsystem gleich doppelt abgesichert.

Wegen ihrer Fähigkeit, Tumorzellen zielgerichtet abzutöten, ist die Erforschung von Natürlichen Killerzellen womöglich richtungsweisend zur Bekämpfung von Krebs.